Их результаты были опубликованы на этой неделе в Труды Королевского общества В.

"Мы, по сути, реконструировали внутреннюю работу опорно-двигательного аппарата крыльев - то, как мышцы и скелет работают у колибри, чтобы махать крыльями", - сказал первый автор и аспирант кафедры машиностроения Пенсильванского государственного университета Суяш Агравал. "Традиционные методы в основном сосредоточены на измерении активности птицы или насекомого, когда они находятся в естественном полете или в искусственной среде, где имитируются условия, подобные полету. Но большинство насекомых и, в частности, среди птиц, колибри очень маленькие. Данные, которые мы можем получить в результате этих измерений, ограничены".

Исследователи использовали литературу по анатомии мышц, данные моделирования вычислительной гидродинамики и информацию о движении крыла и скелета, полученную с помощью методов микро-компьютерной томографии и рентгенографии, для обоснования своей модели. Они также использовали алгоритм оптимизации, основанный на эволюционных стратегиях, известный как генетический алгоритм, для калибровки параметров модели. По словам исследователей, их подход является первым, который объединяет эти разрозненные части для биологических летательных аппаратов.

"Мы можем смоделировать все восстановленное движение крыла колибри, а затем смоделировать все потоки и силы, создаваемые взмахом крыла, включая все давление, действующее на крыло", - сказал Ченг. "Исходя из этого, мы можем рассчитать требуемый общий мышечный крутящий момент, необходимый для взмаха крыла. И этот крутящий момент мы используем для калибровки нашей модели".

С помощью этой модели исследователи раскрыли ранее неизвестные принципы приведения в действие крыла колибри.

Первым открытием, по словам Ченга, было то, что первичные мышцы колибри, то есть их летательные аппараты, не просто машут крыльями в простом движении взад-вперед, а вместо этого тянут их в трех направлениях: вверх и вниз, взад-вперед и скручивание - или качка - крыльев крыло. Исследователи также обнаружили, что колибри напрягают свои плечевые суставы как в направлении вверх-вниз, так и в направлении высоты тона, используя множество меньших мышц.

"Это похоже на то, когда мы занимаемся фитнесом, а тренер говорит напрячь мышцы, чтобы быть более гибкими", - сказал Ченг. "Мы обнаружили, что колибри используют аналогичный механизм. Они напрягают свои крылья в направлениях тангажа и вверх-вниз, но держат крыло свободным в направлении взад-вперед, поэтому кажется, что их крылья машут взад-вперед только в то время, как их силовые мышцы или их летательные двигатели на самом деле тянут крылья во всех трех направлениях. Таким образом, крылья обладают очень хорошей маневренностью при движении вверх и вниз, а также при повороте".

Хотя Ченг подчеркнул, что результаты оптимизированной модели являются прогнозами, которые нуждаются в проверке, он сказал, что это имеет значение для технологического развития летательных аппаратов.

"Несмотря на то, что технологии, позволяющей полностью имитировать полет колибри, еще не существует, наша работа обеспечивает основные принципы для осознанной имитации колибри, надеюсь, для следующего поколения гибких воздушных систем", - сказал он.

Другими авторами были Зафар Анвар, докторант факультета машиностроения Штата Пенсильвания; Брет У. Тобалске из отделения биологических наук Университета Монтаны; Хаосян Ло с факультета машиностроения Университета Вандербильта; и Тайсон Л. Хедрик с биологического факультета Университета Северной Каролины. Каролина.

Управление военно-морских исследований финансировало эту работу.