生来爬行不能飞。这个短语既可以用于隐喻意义，也可以用于字面意义，因为没有翼的生物（或功能相似的身体部位）实际上无法征服天堂。至少其中大多数。如果没有例外，规则将不是规则。在无法飞行的飞行方面，也有例外-装饰的树蛇（Chrysopelea）。这种蛇属的代表能够飞翔-鉴于它们生活在地面以上的树冠中，这是一项非常有用的技能。美国弗吉尼亚理工大学的科学家决定从运动学的角度考虑放风筝。蛇有哪些解剖学特征（准确地说是以受控的方式掉落），在运动过程中会发生什么运动学以及这项研究如何对机器人产生帮助？这些问题的答案在科学家的报告中等待着我们。走。
研究基础
装饰树蛇是在南亚和东南亚发现的蛇形蛇的一种。该属的代表不能夸大体形（仅0.6至1.5 m的身长）和致命的毒药。尽管他们在白天狩猎的猎物会与后者不同意。考虑到栖息地（树冠），这些蛇几乎没有敌人，因为它们不需要强毒。此外，他们还有更有效的策略-他们知道如何计划。
俗称“飞蛇”，是用坚硬的鳞片在其腹部上爬行，使其垂直运动的。如果蛇想从一棵树移动到另一棵树，它首先会爬到树枝的边缘，然后将身体折叠成拉丁字母“ J”的形状以瞄准（确定所需的“起飞”角度和着陆点）。蛇说“放手”时，将其身体向前和向上推动，将其吸入腹部并凸出其肋骨（因此其身体变得更平坦且略微凹陷）。在滑行过程中，蛇不断地从一侧到另一侧进行蜿蜒的身体移动，从而可以控制飞行并轻柔地着陆。
飞行蛇Chrysopelea paradisi的一个长远的计划的侧视图。
对于蛇来说，这种不寻常的移动方法的另一个优点是可节省大量能源，因为这种飞行比在地面上从一棵树到另一棵树的缓慢爬行要快得多（也更安全）。仅仅从简短的描述中就可以清楚地看到，风筝飞行的机制中有许多重要的元素。起飞角度，起飞和飞行过程中的身体形状，飞行中的身体运动等。
蛇的飞行最引人注目的方面，尤其是对于观察者而言，是身体的波浪运动。行星上的许多生物都使用此技术在地球和水上移动。您不必走太远，因为蛇本身可以完美地使用它。科学家们指出，人们已经很好地研究了陆地和水域的起伏运动，但空中的旋转旋转仍然是一个谜。
在金蛇蛇中，波纹的特征是S形的身体形状，低的波纹频率（1-2 Hz）和扁平的空气动力学横截面。
第1张图片
实际上，空气波动会不断重新排列蛇的身体，将其转变为翅膀状（1e）。以前的研究表明，放风筝总是在飞行中进行波浪运动。但是，尚不清楚起伏是成功飞行的必要部分还是仅仅是习惯。在陆地上移动的行为方面，无意间迁移到了飞行中。
如果考虑到陆地和水的起伏，那么我们可以假设在空气中会产生推力。在固体介质上，由于分布在人体腹侧和外侧区域上的接触力而产生波动运动，而在水中，流体沿人体的位移或吸收会导致向前运动。在这两种情况下，净驱动力主要作用于波纹平面。平面外（垂直）身体调制可用于其他目的，例如降低电阻或增加法向强度。
但是对于放风筝来说，成功的规划需要产生必要的空气动力来补偿动物的体重。当空气在重力作用下向下加速时，流过扁平体的空气会产生升力和阻力，并且由肌肉收缩引起的往复运动可能不会增加力的产生。
飞蛇Chrysopelea paradisi起飞和展平的前视图。
产生的空气动力必须在波纹平面之外作用，并且波纹本身必须不断改变蛇身上的力分布。还值得考虑的是，放风筝不仅可以在水平方向而且可以在垂直方向“飘动”。这意味着风筝飞行模型同时包含音高*和滚动*元素。
俯仰* -相对于水平横向惯性轴的角运动。在这项研究中，科学家决定详细研究起伏在蛇类飞行中的作用。利用蛇飞行的高速镜头，科学家们能够量化空中的起伏。获得的数据使我们能够创建蛇飞行的精确三维模型。
横滚* -绕其纵轴的角运动。
研究成果
空中起伏由一束水平和垂直弯曲的波浪组成。沿着蛇的身体（11个人）放置了11-17个标记物，参与飞行射击（8.3 m的高起飞区）。通过评估这些标记的位置变化，可以准确确定飞行过程中的起伏结构。
飞行蛇Chrysopelea paradisi的测试滑动顶视图。
滑行飞蛇Chrysopelea paradisi时获得的红外标记。
经过36次实际观察，科学家们创建了蛇体的三维模型（r）。
基于运动捕捉数据的飞蛇Chrysopelea paradisi 3D模型的开发。
使用切线矢量（t̂ =∂r/∂s），可以将波纹分解为两个沿身体移动的角弯曲波。
水平和垂直波由以下公式给出：
θ̅（s，t）= -tan -1 t̂ x / t̂ y
和
ψ̅（s，t）= sin -1 t̂ z
其中θ̅（s，t）和ψ̅（s，t ）是物体相对于水平和垂直方向形成的局部角度，它是弧长s和时间t的函数。
数据显示，放风筝使用两个波：振幅较大的水平波和振幅较小的垂直波，两者均从头到尾顺着身体向下传播（图2）。
图像＃2
当蛇以相对笔直的姿势跳跃并随后形成特征性的S形姿势以便滑行时，这些波形会在初始瞬变之后形成。
机载起伏有四个特征，将垂直波与水平波连接起来（2a）。首先，垂直波的空间和时间频率是水平波的两倍。这表明身体的垂直弯曲度比横向弯曲度（2a，2f）。其次，在放风筝的身体上的U形弯可以在弯曲角度（2b）的曲线图中被标识为零交点。第三，这些分频点是垂直波高，表明水平波和垂直波的相位相差90°。第四，最大的平面外弯曲发生在U形弯曲处以及沿直线段的中间位置。在U形弯曲处，蛇的“翅膀”的横截面由于身体在平面（1c，1d）之外的运动而折叠。
随着风筝的加速并产生空气动力，行波的形状会随着时间而变化，但某些功能仍然很常见。水平波是一个平顶正弦波，其振幅（80-120°）取决于空间周期的数量，较少的周期会导致较高的水平弯曲角度。垂直波是一个窄峰正弦波，波谷宽，幅度从20°到45°不等。
对波的时空特性的量化表明，风筝使用的波幅为1-1.5个空间周期，波度为1-1.7 Hz，垂直波的波幅为2-3个空间周期，波度为2-3.4 Hz。
空气波动中还有一个附加成分，科学家称之为“腹背弯曲”，代表身体后部相对于头部的上下运动。该弯曲的倾斜角度为-20°至30°。在观察到的飞行中始终存在背腹弯曲，但与空间周期数没有显着关系。
为了准确确定水平波和垂直波之间的关系的影响程度以及背腹弯曲对飞行动力学的影响，科学家创建了解剖上精确的飞行蛇模型。据科学家称，对模型的控制可以系统地检查波纹的组成部分（水平波的幅度，空间周期的数量和波纹的频率）如何影响计划的短期和长期动力。
水平波被建模为具有大振幅的平顶的正弦波，并且垂直波被建模为小振幅的正弦波：
其中θ 米和ψ 米是最大的水平和垂直弯曲角度; ν是空间周期数； f是起伏的频率； ϕ是相移； d ψ -背腹的弯曲角; L-体长（2f，2g）。
水平和垂直波串联连接在运动学数据（2E）：ν ψ =2ν θ，F ψ = 2F θ和φ ψ = 2（φ θ-π/ 2）。这大大简化了模型以5个变量确定所述主体的形状：θ 米，ψ 米，ν θ，F θ和d ψ。
的位置r =相对于质心本体的[X，Y，Z]计算如下：∂ 小号 X =cosψ̅sinθ̅，∂ 小号 Y =-cosψ̅cosθ̅和∂ 小号 Z =sinψ̅。
质心R 0的位置和物体的方向（偏航角*，俯仰角和侧倾角）是通过对平移运动和旋转运动方程进行积分确定的。
偏航* -围绕垂直轴的角运动。
其中f L和f D-最小的提升力和阻力； M A-空气动力学力矩； m是蛇的质量。
为了确认该数学模型会产生物理上真实的结果，科学家们使用从真实风筝的真实滑行观测值中获得的参数模拟了飞行（模拟与观测值的比较如下图所示）。 通过比较
图像3可以
判断，该模型可以正常工作，但是将来需要解决一些细微的错误。
为了测试起伏对规划特性的影响，两种模拟进行了：使用f θ = 0赫兹（无起伏）和f θ= 1.2 Hz（蛇的平均起伏频率）。在两个版本中，ν θ和θ m的变化（图4a）。
图像№4该
模型中的蛇身体形状的运动学数据使得能够获得121种形状，其具有1ν≤ θ ≤1.5 体波和水平波振幅范围为90°≤θ 米 ≤119°。此外，从该阵列中提取观察到的身体形状（图的中间部分，对角线分隔；4b）。下图中突出显示的部分包含“打开”（类似于字母S）的身体形状，而上部则是“闭合”（类似于无穷大符号）。
垂直波的振幅和腹背角保持在恒定水平：分别为20°和10°。当蛇的质心接触地面（着陆）或任何定向角超过85°阈值时，该模拟被视为完成。如果发生这种情况，则计划被认为是不稳定的，即不喜欢大自然。在仿真过程中，测试了带有/不带有波动的短期动力学（起始高度10 m）和长期动力学（起始高度75 m）。
该模型显示，涟漪对滑行性能具有积极影响，通常会增加在模拟风筝变得不稳定之前行进的水平和垂直距离。
模拟有和没有起伏的飞行蛇滑行。
发射高度为10 m的短期计划在存在起伏的情况下显示了良好的稳定性系数（94％）。如果模型中未包含波动，则只有50％的航班是稳定的。波度还增加了滑行距离（从4 m到4.3 m）。
模拟75 m的滑行时，起伏增加了水平和垂直距离，然后在86％的发射中就出现了不稳定性。在这种情况下，波纹度还增加了92％发射的飞行距离。波度还使平均水平距离增加了6.9 m。
为了找出垂直波振幅和背腹弯曲对滑动动力学的影响，在模拟中使用了这些参数的不同值并考虑了获得的结果。
图像＃5
规划进行模拟ψ 米 = 0°，10°和20°和背腹弯曲从-20°到20°在10°的步骤（图5a），用于11种不同的身体形状。
垂直振动对滑行轨迹的影响相对较小，而背腹弯则有很大影响。
完全平坦的蛇（ψ 米= 0°），这在实验测试期间从未观察到，显示出预期的最差结果。由于平面中横截面的扭曲，增加垂直波的幅度会提高规划效率，从而为产生力（2j）提供了更有利的角度。
与垂直波幅度相比，背腹弯曲对滑行特性，特别是对俯仰有明显影响。
在ψ 米 = -20°与主体的头部下方的背部，滑行是不浅，而不是它成为高度不稳定的，直到落入10微米。在ψ 米= 20°，身体后部位于头部上方，轨迹向后弯曲，一些身体形状落在跳跃后面。这种倾斜的计划可以通过倾斜身体来证明。尽管如此，具有上述参数的滑翔机仍具有良好的旋转稳定性。
进行非旋转模拟以测试背腹体屈曲，侧倾和滑行性能之间的关系。科学家没有求解方程式＃4和＃5的耦合非线性系统，而是在起伏周期中对不同身体阶段的空气动力进行了采样。接下来，在此对等式＃4进行积分，并且计算质心的位置和速度。
从本质上讲，这种操纵是“虚拟风洞”实验，其中使用动态模型来计算加速时作用在人体上的分布力。通过此方法，您可以消除平移运动与旋转运动之间的关系，以便量化单个空气动力学和惯性对旋转运动的贡献。
当背腹弯从-20°增加到10°时，模拟蛇的落座位置随着平均螺距向零的增加而增加（5d）。腹背弯曲20°时，相位平均俯仰力矩为正，规划特性降低。
对于背腹弯的每个角度，规划效率和平均倾斜力矩还取决于所使用的形式，尤其取决于空间周期的数量和水平波的振幅。在规划的任何时刻的身体形状，背腹弯曲对平均俯仰力矩产生大的影响，并与增加的空间周期，所述时刻发散的数量，变得更加正的或负取决于d ψ。
在5e处的相平均俯仰力矩的标记对应于在5c处示出的向上的斜率或斜率，并且在5b处对应于所得的滑行性能。在5 楼结果表明，对于具有最小空间周期的身体形状，平均俯仰力矩将最小。
根据以上数据，可以假定垂直波使身体卷曲，从而使用气流改变了“扁平翼”的局部方向（在规划过程中蛇形的形状）。腹背弯曲控制作用在身体上的空气动力学主要力矩的大小和信号。放风筝可以通过在飞行过程中改变腹背弯曲角度或水平波形来控制俯仰力矩。
因此，身体的腹背弯曲在计划的稳定性，成功的配合以及在执行过程中直接改变计划路径的能力方面发挥着极其重要的作用。
图片编号6
通过求平均的相位分析，可以量化空气动力学和惯性矩对滑行动力学的相对贡献。
从方程式5可以看出，空气动力和不断变化的质量分布都会影响车身的方向。空气动力学贡献（6a）随着速度的增加而随时间增加，而惯性贡献（6b）保持恒定。这两个时间都是周期性的，并且只有俯仰力矩显示非零相位平均值。
最初，惯性矩在俯仰和横摇轴附近占主导地位，但在一个波动周期中，它们的作用迅速减小。通常，惯性偏航力矩比空气动力学偏航力矩大一个数量级，并且大于围绕其他轴的惯性矩。偏航的惯性力矩是由于大振幅的水平波和宽的S形体而产生的。这个结果表明，放风筝可以利用惯性旋转作为操纵机制。
要更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告和其他材料。
那些希望熟悉用于分析风筝计划的软件的人可以点击此链接。
结语
在这项研究中，科学家将最新技术用于运动捕捉和三维建模，从而使他们能够创建解剖学上精确的风筝模型。
曾经也很难理解鸟类飞行的动态，但是它并没有像飞行的蛇那样使科学家困惑。在自然界中，无翼飞行的例子并不多，所有这些都与使用非标准机制有关，这种机制可以使动物进行计划，而不会被石头砸倒。
在放风筝的情况下，在爬行和游泳的风筝运动中产生的波纹起着非常重要的作用。稳定计划的另一种机制是矫正身体的腹背弯曲角度。通过将这些元素组合在一起，放风筝就能在树上飞来飞去，确切地知道未来的种植地点。
这项工作的作者认为，他们的数据不仅使我们能够更好地了解装饰的树蛇的习惯，而且还为创建类似蛇的机器人获得了更多灵感。是的，已经有这样的机器人。它们会爬行，可以在困难的地面上航行并到达难以到达的地方，但是它们会飞吗？
有了这样的推理，我们的世界很快就会像“黑客帝国”中的机器之城一样，那里极不寻常（且有些令人恐惧）的机器人生物沿着墙壁爬行，其目的难以理解。一个人想为周围的所有事物制作机器人版本的愿望不会被扼杀。这就是我们的本性-了解一切，了解一切，能够创造自然在我们之前所做的美丽。如果从机器人蛇，蜘蛛，狗和其他机器人动物身上获得的好处多于伤害，那么这种研究是完全合理的。
感谢您的关注，保持好奇心，祝大家周末愉快！
周五顶峰：
, .
, .
顶级2.0：
, :)
, :)
一点广告
感谢您与我们在一起。你喜欢我们的文章吗？想看更多有趣的内容吗？通过下订单或向朋友推荐，为开发人员提供云VPS，最低价格为4.99美元，这是我们为您发明的入门级服务器 的独特类似物：关于VPS（KVM）E5-2697 v3（6核）的全部真相10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps从$ 19还是如何划分服务器？（RAID1和RAID10提供选件，最多24个内核和最大40GB DDR4）。
戴尔R730xd在阿姆斯特丹的Equinix Tier IV数据中心便宜2倍吗？只有我们有2台Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100电视，荷兰起价199美元！戴尔R420-2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB-$ 99起！阅读有关如何建立基础架构的信息 与使用服务器类的戴尔R730xd E5-2650 v4一分钱花费9000欧元吗？