康乃爾大學破解昆蟲飛行穩定機制，為撲翼無人機設計開闢全新路徑

昆蟲飛行的奧秘：五維參數空間揭示穩定飛行關鍵

昆蟲與鳥類拍動翅膀看似輕鬆自如，但維持飛行的動力學機制卻極其複雜，長期以來難以量化。康乃爾大學（Cornell University）研究團隊開發出一套全新計算模型，揭示了昆蟲形態學特徵對飛行穩定性的影響，這項發現不僅為理解動物飛行演化提供新途徑，更為撲翼機器人的設計帶來具體藍圖。

該研究於 5 月 1 日發表於《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences），由康乃爾大學物理學暨機械與航太工程學教授 Z. Jane Wang 主持。

十年磨一劍：從果蠅到全物種模型

Wang 教授的研究始於十多年前，當時她著手研究果蠅神經迴路如何演化以控制飛行穩定性。團隊透過建立 3D 計算模擬，證明果蠅在每次拍翅時（約每 4 毫秒一次）都會感知自身體態方向，藉此穩定飛行姿態。

然而，若要研究所有昆蟲的飛行穩定性，研究人員需要一套高效的計算工具來模擬大量物種。

「過去的研究，包括我們自己的，都是從真實昆蟲的模型出發，因此受限於我們所觀察到的物種，」Wang 表示，「我們錯過了所有其他同樣可能實現飛行的形態配置。」

五維空間中的穩定飛行公式

Wang 教授與論文第一作者 Owen Wetherbee 將 3D 模型精煉為新版本，保留了身體與翅膀耦合效應及非穩態空氣動力學的關鍵物理特性。由此產生的方程式揭示了五個關鍵物理參數：

1. 翅膀與身體質量比
2. 翼載荷（wing loading）
3. 翅膀鉸鏈位置
4. 拍翅頻率
5. 翅膀運動振幅

這五個參數共同構成 Wang 所稱的「五維形態學與運動學空間」。

「這個模型的強大之處在於，它比我們過去擁有的工具更加明確，」她說，「我們已經了解基本物理學。透過在新模型中捕捉關鍵物理特性，我們既能從概念上理解每個組成部分，又能促進計算探索更大的參數空間。」

被動穩定飛行：顛覆既有認知

五維計算結果的分析最終歸納出兩個明確公式，提供了簡潔的穩定性評估指標。這些準則捕捉到過去常被忽略的翅膀慣性與身體之間的微妙耦合效應——取決於拍翅頻率、鉸鏈位置以及翅膀與身體質量比之間的交互作用，以達到一種「反共振」狀態。這個甜蜜點使撲翼動物能夠控制身體振盪並維持飛行——即所謂的「被動穩定飛行」（passively stable flight），即便面對通常會導致翻覆的氣流擾動也能保持穩定。

「我們突然發現，許多形式的撲翼飛行都具備被動穩定性，這最初令我們相當驚訝，因為迄今為止的研究顯示，除了一兩個例外，大多數昆蟲都是被動不穩定的，因此需要神經迴路來控制，」Wang 說，「但當我們擴展形態學空間後，我們意識到之前研究的只不過是這個新視野中的幾個點而已。」

撲翼機器人設計的革命性突破

研究人員既然能夠界定穩定性邊界，便能為實現穩定的撲翼機器人飛行提供具體設計原則——這是機器人學界數十年來一直未能突破的難題。

「原則上，這為設計撲翼機器人提供了一條全新路徑，」Wang 表示，「與其依賴僅部分成功的大量回饋控制系統，我們的研究結果表明，可以調整撲翼裝置的形狀和頻率，根據這兩條規則，我們可能會發現飛行器本身已經具備被動穩定性。這將大幅簡化飛行控制。」

新模型使設計工作能以更快、更簡單的計算完成，而模擬穩定性特徵的能力也指出了一種對有翅動物進行分類及追蹤其演化的新方法。

「在演化過程中，各種特徵被篩選出來，但除了極少數例子如眼睛之外，我們對這些特徵是什麼、為什麼被選擇、如何演化都所知甚少，」Wang 說，「這個計畫為研究生物學和機器人學中這些重大問題帶來了新的量化方法。數學建模讓我們能夠超越自身的想法和先入為主的觀念，去處理這些宏大的問題。」

該研究獲得美國國家科學基金會（National Science Foundation）資助。

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