用高速摄像机和风洞解码蝴蝶飞行
流体动力学有助于解释蝴蝶颤振的原因
在一个炎热的夏天，隆德大学生物学家Christoffer Johansson和Per Henningsson涉水穿过瑞典学校野外站附近草地上的草和野花。他们悄无声息、不慌不忙地朝一只哈密瓜色的昆虫扑来的地方移动，准备用一个柔软的织物网把它收集起来。
对于约翰逊和亨宁森来说，捕捉洗银的贝母蝴蝶不仅仅是他们夏天的爱好。他们使用慢动作相机和高速流量测量来确定是什么给了这些蝴蝶独特的飞行模式。这一发现不仅有助于科学家更好地了解这种昆虫的生活，还有助于下一代无人机的设计。
确定是什么赋予了这些蝴蝶独特的飞行模式，也有助于下一代无人机的设计。
约翰逊说，这是一项不总是容易的工作，回想起在草地上狩猎时的酷热，或在他们的实验风洞中疯狂地寻找标本，但它总是有趣的。
约翰逊说:“我们通常大部分时间都呆在实验室里。“在这种情况下，我们实际上花了几天时间在草地上捕捉蝴蝶……但我要说，最有趣和最令人沮丧的部分是在风洞里进行实际实验的时候。”即使我们把蝴蝶放在一个特定的地方，一旦它起飞，它可以在隧道中快速移动，然后消失，只是重新出现在研究人员的头顶上。”
君主之谜
蝴蝶不仅能短时间内从一朵花飞到另一朵花，还能进行长距离的持续迁徙飞行。例如，帝王蝶从美国到墨西哥的单程距离超过4800公里(3000英里)。
约翰逊说，这并不是蝴蝶飞行不寻常的唯一原因。与其他昆虫不同的是，它们的身体尺寸与翅膀的比例非常大，而它们的身体却很小。
约翰逊和他的同事希望提供新的数据来帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，这是研究人员努力理解了近50年的问题。
“与其他飞行动物相比，蝴蝶是极端的，”约翰逊说。“它们的翅膀负荷很低，翅膀的展弦比也很低，这意味着与其他飞行动物相比，它们的翅膀本质上又大又短又宽。”
蝶式起飞，下冲程用于重量支撑，上冲程用于产生推力。(图片来源:L. C. Johansson and P. Henningsson)
在20世纪70年代，科学家们推测，蝴蝶可能是通过在向上拍打翅膀时产生一股气流来实现这种多用途飞行的。然而，近50年来，研究人员一直在努力证实这一机制，因为量化自由飞行活动，而不是在实验室条件下的系绳飞行，说起来容易做起来难。在他们的研究中，约翰逊和亨宁森提供了新的数据，以帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，并了解如何将其应用于其他应用。
约翰逊说:“通常很难想象基础研究最终将用于什么，但在这种情况下，无人机有直接的应用。”“有无人机今天飞行利用拍击机制来产生力。对他们来说，研究这种被提议的蝴蝶机制，以提高无人机翅膀的灵活性，最大限度地提高拍击的效率和力量，可能会很有趣。”
捕捉蝴蝶飞行
研究小组将6只洗银的贝母蝴蝶引入隆德大学的循环风洞中，用蜂蜜水喂食器引诱昆虫飞走。这个风洞是独一无二的。它最初是为了研究鸟类飞行而建造的。隧道里的一个大风扇使空气以每秒2米(4.5英里/小时)的速度循环，以防止蝴蝶太容易飞离团队的测量设置。
研究小组使用四台高速摄像机记录蝴蝶引起的空气运动，另外两台摄像机捕捉蝴蝶的运动。这种流量测量技术被称为层析粒子图像测速法，使研究人员能够创建流体流动的三维模型;然后，研究小组可以研究空气动力，以了解蝴蝶翅膀是如何推动它们飞行的。在这项研究中，重点是蝴蝶拍打翅膀时产生的气流。
只有1微米大小的微小气溶胶颗粒悬浮在风洞中。高速摄像机捕捉到蝴蝶在激光照射的薄片前穿过这些粒子时的运动。该团队总共捕获了25个翅膀跳动一到三次的序列。
约翰逊表示，该团队使用了MATLAB®在数据分析方面，包括使用他为矢量分析设计的用户界面来研究蝴蝶飞行的流体动力学。
约翰逊说:“我们的研究领域对技术和数字都有很高的要求，没有一款软件可以以我们想要的方式完成所有的分析。”“因此，我们需要自己创建大部分代码。”
“到目前为止，MATLAB是这个项目中最有用的工具。”
隆德大学的生物学家Christoffer Johansson说
当蝴蝶以大约2毫秒的速度飞行时，在向上拍打时产生的推力－1．(图片来源:L. C. Johansson and P. Henningsson)
MathWorks的教育客户成功工程师Sagar Zade说:“我们使用MATLAB来可视化流程，并绘制实验结果。”
Johansson和Henningsson还利用MATLAB计算了气动力，确定了拍子的气动功率，并利用蒙特卡洛模拟估计了背景功率。
Zade补充说:“这些实验发现的结果对于未来想要使用MATLAB通过复杂的Navier Stokes方程来对流体动力学进行数值模拟的研究人员来说非常有价值。”
除了测量蝴蝶飞行时产生的喷流外，研究小组还分析了它们的翅膀的形态如何在向上拍打时形成杯状形状，以改善喷流。他们利用这些数据创建了机械蝴蝶翅膀，以分离出柔性翅膀和杯状形状对拍手性能的影响。
约翰逊说，这些机械翼很简单，是由巴尔沙木和乳胶膜制成的直角三角形，由伺服引擎和Arduino控制®董事会。沿着翅膀一侧的铰链使它们能够旋转和拍击在一起。柔性膜在拍击过程中形成杯状，而硬硬的巴尔杉木则不会，以便于比较性能和研究杯状形状的影响。约翰逊说，通过生物学家在隧道中的工作和在实验室中对机械翅膀的工作，他们对蝴蝶飞行的动力学以及如何重新创造飞行获得了一些关键的见解。他说，其中一项发现是，在淋病期间，柔性膜翼在冲量和效率方面优于巴尔沙翼25%。他们还确定，蝴蝶的向上和向下的动作在飞行中有两个独特的目的。
“向下击球产生垂直力，而向上击球和拍击产生推力，”约翰逊说。“和大多数飞行一样，垂直力占主导地位。在这种情况下，垂直力是推力的9.4倍。”
柔性翼提高了拍翼的力和效率。(图片来源:L. C. Johansson and P. Henningsson)
该团队的完整研究发表在美国科学院学报英国皇家学会界面．
由于约翰逊和亨宁森没有接受过MATLAB的正式培训，约翰逊表示，该软件的可访问性、灵活性和易用性对这项工作来说是巨大的资产。
“到目前为止，MATLAB是我们在这个项目中最有用的工具，”约翰逊说。
除了蝴蝶
在用这种方法成功捕捉蝴蝶飞行后，约翰逊很有兴趣看看它如何更广泛地应用于其他生物的飞行模型，从鸟类和蝙蝠到微观生物。
大自然比人类更早地完善了飞行。通过研究这些生物达到这一目的的无数种方式，工程师们可以制造出更高效、更有活力的飞行无人机——甚至是游泳无人机。有一天，这些无人机可能会把食品杂货送到你的家门口，或者潜入深海研究海洋生物。
约翰逊说:“有人认为蝴蝶会用尽书中所有的技巧来飞行。”“还有很多研究要做，以弄清楚这是否正确，以及不同的条件如何影响这些机制。”
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