要理解翅膀形状如何影响鸟类飞行的灵活性，需要能将质量和几何形状与空气动力学性能联系起来的参数。一项对飞行惯量性质的分析填补了这方面空白。
鸟类飞行的研究能揭示动物的演化历程，并为工程设计提供灵感。Harvey等人[1]在《自然》上撰文，报道了鸟类飞行的部分基础原理，加深了我们对此的理解。
飞机设计的一个早期关键阶段是开发运动方程。这些方程将飞机的内在属性（例如其质量和几何形状）与其空气动力学性能（所涉及的力和力矩）联系起来。力和力矩与质量和惯性（运动变化的阻力）的比值为设计人员计算飞机潜在的加速度能力提供信息。运动方程还有助于评估飞机的基本特征，例如其潜在的速度，朝向和机动能力（改变其飞行路径的方向和速度）。
开发这样的框架是发现设计局限和创造机会的标准方法。相比之下，尽管从莱昂纳多·达·芬奇时代起，鸟类飞行就令科学家和工程师深深着迷，但研究鸟类飞行和机动性的标准化框架一直很欠缺，部分原因是惯量性质相关的数据有限。
Harvey及其同事朝着建立这样一个框架迈出了重要的一步。他们开发了一种分析方法，通过测量翅膀肘腕关节的全运动范围，来确定22种鸟类的惯量性质（图1）。作者假定一只鸟可以被建模为多个简单几何形状的组合，藉此以肘腕关节角度函数确定了翅膀、身体和尾巴对惯量的贡献。这些惯性量可以作为理论框架的输入参数，用于研究鸟类在飞行过程中改变翅膀形状（称为翅膀变形）时的机动性。
图 1 | 大蓝鹭（Ardea herodias）。这是Harvey等人[1]用于分析翅膀特性的22种鸟类之一。作者对翅膀变形时惯量特征的分析填补了我们知识中的空白。来源：Getty
和仅限于可观测飞行行为的实验方法相比，采用分析方法来研究机动性提供了一种方法，用于测试关于机动能力极限的演化假设。该方法也可用于揭示几何属性和运动范围如何影响稳定性（鸟类在受到干扰后恢复平衡的倾向），而无需进行大量的飞行测试和观测。
该研究的关键发现是，为翅膀形变对鸟类重心位置的影响提供见解；提出一种方法来估计各种鸟的身体各部位对不同运动方向（称为俯仰，偏航和滚动）的旋转特性的贡献；并能够评估鸟类从稳定飞行到不稳定飞行的能力，反之亦然。
Harvey等人表明，重心在整个肘腕关节的可活动角度范围内几乎保持不变。与尾部、躯干和颈部的贡献相比，翅膀变形对俯仰旋转惯量的贡献很小。相比之下，翅膀变形，特别是肘部角度，强烈影响滚转和偏航惯量。这可能意味着，在飞行过程中鸟类倾向于移动肘关节以触发滚转角度和速度的变化。
通过研究肘关节和腕关节的全运动范围，Harvey及同事提出一个大参数空间，允许得出关于翅膀整体形状如何影响惯性特性的结论。但重要的是，它将空气动力学效率、稳定性和机动性的相关见解与参数空间关联起来。
正如飞机设计中经常出现的，效率和机动性之间需要权衡。效率最高的那些飞行器，例如滑翔机，它的机动性则较低，而机动性更强的，例如战斗机，其效率往往较低。早期的工作[2]表明，鸟类可以通过改变肘部角度来控制效率和机动性之间的这种权衡。
然而，目前尚不清楚鸟类是否已经演化到具有更稳定或更具机动性的飞行能力。用于评估飞机或鸟类俯仰稳定性的指标称为静稳定裕度。其定义为重心和中性点之间的距离，而中性点是空气动力学力作用的点。正静稳定裕度表明中性点位于重心后面，意味着配置更稳定，机动性更低，而负静稳定裕度（中性点位于重心前面）表示配置不稳定，但机动性高。
有研究[3]表明，鸟类正在朝着更具机动性和更不稳定的方向演化（朝着更负的静稳定裕度方向）。Harvey及其同事的主要发现是，尽管在所分析的肘部和腕部角度的整个范围内，重心几乎保持不变，但中性点发生了显著变化。这种变化导致静稳定裕度发生变化。事实上，所分析的物种中有77%可以从稳定配置转变为不稳定配置，反之亦然。这表明，对翅膀运动范围的演化压力维持了鸟类在稳定和不稳定飞行之间转换的能力。这是一个有力的发现，因为它表明鸟类不仅可以调整翅膀的几何形状，以牺牲效率换取机动性，反之亦然，而且它们还可以调节和改变飞行中的机动性水平。
研究鸟类的翅膀形状，并将这一特征与飞行相关特征联系起来，为控制鸟类飞行的物理和演化压力提供了见解。从中人们可能提炼关键原理，用于开发性能卓越的仿生无人机。这样的飞行器可以在各种任务中调整其机翼形状，以最大限度地提高各种操作条件下的效率、稳定性或机动性。
参考文献：
1. Harvey, C., Baliga, V. B., Wong, J. C. M., Altshuler, D. L. & Inman, D. J. Nature 603, 648–653 (2022).
2. Harvey, C., Baliga, V. B., Lavoie, P. & Altshuler, D. L. J. R. Soc. Interf. 16, 20180641 (2019).
3. Smith, J. M. Evolution 6, 127–129 (1952).
原文以Trade-offs between stability and manoeuvrability in bird flight为标题发表在2022年3月10日《自然》的新闻与观点版块上
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