昆蟲振翅飛行的原理是什麼？人類有沒有利用這種技術的飛行器？

01-07

比如像《天空之城》中的那樣

撲翼的模式，如上圖所示。昆蟲，蜂鳥，都大同小異

雖然我不是做非定常空氣動力學的，但是撲翼通過產生Starting Vortex和Stopping Vortex來獲得高升力算是基本的常識了。利用Vortex的在低雷諾數下獲得額外的升力 or 提高升阻比廣泛見於各類生物中，如魚，水母，昆蟲，蜂鳥。樓上有些答案面對如此明顯的渦還拿攻角來說事真的太業餘了

Vortex產生升力的機理，簡單點說就是Vortex能在上表面產生Suction效應，有增升的作用。固定翼里也有類似的應用，比如邊條翼。但是實際的原理比起這種說法還要更複雜

知乎上還是有幾位真正做非定常空氣動力學的，期待他們能看到此題並好好解答吧

2005年 Nature 上有一篇科普文說得挺好了，附於此，摘要部分就說得比較清楚了，有條件的話可以下全文看一看

Aerodynamics of the hovering hummingbird

http://www.nature.com/nature/journal/v435/n7045/pdf/nature03647.pdf

或者可以買 Ellington 這本書

Fixed and Flapping Wing Aerodynamics for Micro Air Vehicle Applications

https://books.google.com/books?hl=enlr=id=q6oX4o8jSuACoi=fndpg=PA231dq=vortex+extra+liftots=DnRO6acvdjsig=MeOAgxFI36rPKRj15TNIHO0R3Ew#v=onepageq=vortex%20extra%20liftf=false

我是來吐槽的。以下答案有極大可能文不對題。

在空氣動力學上，撲翼機帶來的優勢並不會很大，因為產生渦升力的話只需要三角翼之類的常見設計即可。當然這是針對常規尺度的飛機而言。

而在機械設計方面，撲翼機簡直就是災難。和固定翼飛機相比，需要的機構複雜得多，直接結果就是重量增加、可靠性降低。

實際上，哪怕是變後掠翼這樣的設計對於機械設計來說已經很崩潰了，更不用說撲翼。

你可以在網上搜德國festo做的撲翼機，還有Harvard的robotbee

非定常空氣動力學

可以看兩篇文章，一篇是98年Dickson發表在science上的Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight

Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Flight

裡面以果蠅為例講了昆蟲飛行的三種機理，delayed stall， wing rotation 和wake capture。其中delayed stall佔了很大一部分，這是因為這講原來固定翼的失速攻角15度左右提升到了30到40度，從而大幅增加了升力係數，而這是由於前緣渦的穩定存在。

第二批是今年3月份nature上發表的Smart wing rotation and trailing-edge vortices enable high frequency mosquito flight

https://www.nature.com/nature/journal/v544/n7648/full/nature21727.html

他研究了蚊子這種翼相對較為細長，但是撲動的amplitude比較小的生物，得出了其他一些空氣動力學機理，比如rotational drag和trailing edge vortex。

當然，這其中還有很多未解之謎。

人類當然有啊，比如festo的smart bird等等。

我先說一下雷諾數的概念好了。簡單而言雷諾數指的是慣性力與粘性大小之比。航空飛機的雷諾數一般為幾百萬左右。而對於昆蟲而言雷諾數只有10^2-10^4左右。

人們在此雷諾數下對昆蟲的翅膀進行風洞分析。結果發現其升力係數很低，無法平衡昆蟲的自重。所以昆蟲無法以鳥類的方式飛翔。

栗子：圖片中的蜂蠅，懸停時翅膀前後運動形成一個運動平面。向前運動時仰角為正，向後運動時翅膀翻轉，仰角還是為證，於是總體得到了向上的升力。想要前後移動很簡單，把運動平面前傾後傾產生分力即可。調整左右兩邊運動平面及翻轉時間等等，可以實現轉彎機動。在如此高的頻率完成這些控制動作並非容易的事情。對於昆蟲機器人來說亦然。研究這個是很枯燥的。我知道的一位老師專攻就是這個，截止到目前他已經養了整整十年的昆蟲。o(︶︿︶)o 這其中的艱苦我們是無法理解的。

問題：這麼高頻率的運動昆蟲覺得累不？

昆蟲翅膀質量很小很小，慣性力也很小很小。你能想像一個老鷹每秒拍打大羽翼幾百次么（當然人家用不著）= = 果蠅的懸停需要的功率為29W/kg（還這裡有個能量利用效率問題，還有個人感覺這個數看上去也不小了= =）。我對電池這方面不大懂，我不知道人類目前是否擁有滿足昆蟲機器人使用要求電池。所以這點就先放在這不談了= = 不過美國人倒是想出了一個主意，就是把設備放在活體昆蟲上，利用昆蟲的運動發電供給設備運行。

至於有沒有利用這點的飛行器這個問題，我只能回答有。美帝的新聞網上一搜便知。至於中國，你猜，反正我也不知道。參考資料：《昆蟲飛行的高升力機理》孫茂

紅繩子為什麼會升起?_土豆_高清視頻在線觀看 http://www.tudou.com/programs/view/mP5asxwIQmQ/?bid=03pid=24resourceId=419439358_03_0_24

機翼升力的真正本質

http://player.youku.com/embed/XMjUyNDMxODQwOA==

鳥類飛行原理是什麼？

http://m.youku.com/video/id_XMjY4NjMwNzUzMg==

像《天空之城》那樣的撲翼機還沒有，目前撲翼機的方向無人化的，微型化的偵查用途飛行器。

目前大的撲翼機就是festo公司製作的SMART BIRD，我記得TED上有一期有對此進行介紹。有興趣可以看看。

另外目前我知道最小的撲翼機「蜂鳥」僅有巴掌大小，目前還在實驗室階段。

綜上，目前撲翼機還處在實驗室階段，多為小型化仿生偵查用途！

撲翼機_百度百科目前應用的只有航模或者一些微型無人機，這是德國festo公司之前做出的2款仿生飛行器德國栩栩如生的機械鳥FestoFesto - BionicOpter_土豆

撲翼機可以簡單的看成是固定翼的機翼像鳥一樣上下撲動，所以，必須多出一套撲動的結構，這會增加飛機的重量；且翅膀在撲通的時候，因為作用力與反作用力的關係，機身實際上也在上下運動，假設你坐在這樣一架飛機里，估計還沒起飛你就晃暈過去了，起飛估計也得是彈射。

但作為無人機來說，現在研究方向一般也就是用於偵查，因為你可以做成像鳥或昆蟲一樣，外觀具有隱蔽性，也可以像鳥或者昆蟲一樣幾乎停在任何物體上來進行偵查，不用像旋翼飛行器或者固定翼飛行器那樣在執行任務的時候飛行的動作也在消耗能量，從而獲得很長的續航時間。

主要還是相關理論不成熟。

我想製造一種類似festo的飛行器，有興趣的加我微信，聊聊，我會設計一個群。18610470057

對於昆蟲翅膀這一級別的尺寸，雷諾數比較小。大尺寸的人造撲翼運動起來雷諾數會很大，流場和昆蟲的可能不同，個人感覺《天空之城》里的撲翼機實際中飛不起來