带有姿态的蜜蜂:阵风对飞行动力学的影响

在小尺度下飞行是一项复杂的任务, 部分原因在于其周围无处不在的非定常气流。飞行生物利用主动与被动控制机制来操纵自身运动以应对这些困难。扑翼生物的机体姿态与其 resultant 飞行轨迹和性能相关联, 然而关于离散非定常气动现象如何影响此类系统的交织动力学却知之甚少。本研究考察了自由飞行的熊蜂在遭受单次离散阵风时的表现, 以模拟自然界中遇到的气动扰动。熊蜂是空中领域的行家, 因为它们持续在复杂地形要素中觅食。花朵等物理障碍会产生典型的阵风式的局部效应, 威胁到精细机动的精确控制。通过追踪穿过阵风的蜜蜂的三维动力学, 我们确定了在三种扰动条件下允许飞行的运动序列。蜜蜂重复执行一系列被动脉冲机动, 随后进行主动恢复机动。脉冲运动在每种阵风方向上都是独特的, 纯粹通过机体的被动操控来维持控制。在每次扰动恢复开始时蜜蜂均仰俯上仰并减速, 随后进行修正机动使姿态回到原始状态。侧向阵风使蜜蜂位移最大, 表现出大的横向平移与滚转偏差。向上阵风蜜蜂更易穿过, 仅引起微小飞行变化与最短恢复时间。向下阵风严重损害蜜蜂的控制响应, 施加强烈的不利力从而急剧打乱轨迹。蜜蜂在各扰动中使用了有趣的控制策略, 为昆虫尺度扑翼飞行与仿生机器人系统提供了新见解。