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2023-02-02利用流體力學滑翔的飛蛇機器人 638 期

Author 作者 編輯部

仿生(bionics)是指科學家透過研究生物特殊的材質、構造或運動模式中的物理現象,進一步應用在各式工具、技術或機械的研發。例如利用壁虎腳趾特性所發明的膠帶、模仿蜻蜓翅膀的機翼設計等。近期美國維吉尼亞大學(University of Virginia)和維吉尼亞理工大學(Virginia Tech)的研究團隊想要將飛蛇的運動方式重現在機器人身上。

飛蛇是金蛇花屬(Chrysopelea)蛇類的俗稱,因牠們在樹林間彈跳及滑翔的身姿而得名。研究團隊表示飛蛇在滑翔時,身體截面形狀的變化和空中的水平蛇行運動是牠們成功滑翔的關鍵⸺身體截面形狀可以讓上下的氣壓改變,產生升力(lift)讓身體上升;而飛蛇跳躍後會在空中水平蛇行,藉由波行運動使氣壓差異在全身達到平衡。研究團隊進一步建立飛蛇在滑翔時的3D氣體流體力學模型,最新的研究結果顯示飛蛇蛇行時還會在背上形成一系列的漩渦氣流,而這些氣旋會影響升力的生成;此外,波行運動的頻率、滑翔時身體和迎面氣流的角度,以及雷諾數(Reynolds number,流體中慣性力與黏性力的比值)都是改變整體升力的重要條件。研究團隊認為,建立三維流體力學的模型不僅加深了他們對飛蛇滑翔運動的理解,這些研究成果更可以幫助科學家在飛蛇機器人上設計出最佳的滑翔功能。

Gong, Y. et al. (2022). Computational analysis of vortex dynamics and
aerodynamic performance in flying-snake-like gliding flight with horizontal undulation. Physics of Fluids, 34, 121907.