想必大家都有過這樣的經歷吧:在公交車高速轉彎時會失去平衡,或者開車在拐角速度太快時會感覺車輪打滑。其實,這就是離心力的作用。轉彎時,產生的將物體拉離旋轉方向的力就是離心力,轉彎速度越快,轉彎越急,離心力就越大,物體就越容易失控。
這就是為什么我們在轉彎時會減速。而這樣的機制也在少數動物身上有所發現。接下來,國外的教授將會在實驗室用數學分析的方法來研究蜜蜂轉彎機制的原理,人類樂于在仿生中獲得創造的靈感,或許這次能啟發我們創造出更好的飛控系統。
蜜蜂能在轉彎時保持恒定的離心力
昆士蘭大學昆士蘭腦研究所的博士生Mahadeeswara Mandiyam和Srinivasan教授的研究使用了一個高速多攝像頭系統來捕捉在蜂巢外游蕩蜜蜂的視頻片段(實驗時故意將蜂巢入口遮住),由此成群的蜜蜂就在蜂巢外面形成了一個“蜜蜂云”
據了解,這種半戶外的“蜜蜂云”實驗是同類中的第一個,相比于以前用于研究蜜蜂避免碰撞(避障)行為的實驗更接近現實。
數學分析高速視頻以研究單只蜜蜂在“蜜蜂云”中的飛行行為。
Srinivasan教授和Mandiyam先生為了能夠更好地理解在不受離心力破壞的情況下,蜜蜂為保持所需飛行軌跡的復雜機動。他們使用矢量微積分計算蜜蜂的速度,加速度和轉彎銳度,以研究蜜蜂在轉彎時如何保持控制。
科學家發現蜜蜂在進入轉彎時速度會降低,而在轉過彎后速度會增加。同時通過對其他動物如果蠅,蝙蝠和馬的轉向行為的觀察,這也在數學上被證實了。
值得注意的是,無論轉彎的銳度或蜜蜂行進的速度如何,蜜蜂都能夠在轉彎時保持大致恒定的向心加速度,從而最大限度地減少離心力對其飛行路徑的影響(向心力將物體拉向轉彎中心,而離心力將物體推離中心)。
圖片來源于網絡
蜜蜂通過減速保持恒定的離心力
研究人員假設這種恒定的向心加速是蜜蜂積極努力減少“側滑”的結果,或者是為了減少過度的離心力(如公共汽車轉得太快而你摔倒)而失去控制的結果。
那么,當一只蜜蜂轉彎時,它會以適當的方式巧妙地降低它的速度,使它所經歷的離心力始終保持不變。
有趣的是,蜜蜂沒有表現出對左轉或右轉的偏好,這可能是動物避免碰撞與眾不同的地方。
研究人員還發現蜜蜂在轉彎和與其他蜜蜂緊密接觸時都能保持大致相同的加速度,這意味著蜜蜂的轉向動力是相同的。
研究人員現在正在探索蜜蜂用于近距離轉彎防撞的感官信息。
蜜蜂的飛行模式啟發更好的飛控系統
長期以來,Srinivasan教授和他的實驗室都對蜜蜂飛行模式感興趣。他們希望更好地了解蜜蜂的飛行行為,將其融入具有先進飛行控制和導航能力的空中機器人和地面車輛中。
Mandiyam先生說:“我們的主要目標是了解蜜蜂如何避免碰撞,這種機制可以用于機器人,也適用于飛機以及地面車輛。如果車輛需要通過一個急轉彎,它必須使離心力在一定的可控范圍內,否則它可以在所謂的側滑中翻倒。”
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原文標題:神奇的仿生:蜜蜂飛行模式能否啟發無人機飛控的創新?
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