生物啟發的飛行設計：探索動物飛行與航空技術的交匯

--自然飛行的啟示：動物飛行如何塑造現代航空技術

從早期的飛行器到現代的無人機，大自然中動物的飛行方式一直啟發著人類的航空技術。本文探討生物學與工程學的交匯點，介紹如何透過「向大自然學習」的原則，提升飛行器的靈活性和效率，並創造新的應用可能。

--生物啟發設計的核心

生物啟發設計專注於從動物的飛行原理中汲取靈感，例如鳥類如何拍動翅膀和調整翅膀形狀，而不僅僅是模仿牠們的外觀。這種設計方法使飛行器能夠在多變的環境中保持穩定和高效，為新一代自動化飛行器的設計奠定了基礎。

--主要設計特徵

1.拍翼飛行器

○模仿鳥類和昆蟲的翅膀拍動： 就像鳥兒通過上下拍動翅膀來飛行，這些飛行器利用機械翅膀的擺動產生升力和推進力。

○實際應用： 例如，德爾夫特大學的 DelFly 無人機和一款名為「蜂鳥」的微型飛行器都採用了這種設計，使它們能夠靈活地在狹窄空間中穿梭【Fig.1】。

Figure 1. 拍翼飛行：動物與微型無人機的翅膀拍動對比

2.變形翼設計

○翅膀形狀的動態調整： 想像一下鳥類在飛行時，牠們可以像我們伸展或收回手臂一樣，調整翅膀的形狀，以適應不同的飛行需求。

○提升操控性和穩定性： 這種設計使飛行器在不同速度和氣流條件下都能保持穩定，特別是在突發的氣流中。

○實際應用： 一些小型無人機模仿鳥類翅膀的關節結構，能夠靈活地改變翅膀形狀，提升在複雜環境中的飛行能力【Fig.2】。

Figure 2. 變形翼的運用：鳥類的翅膀形狀動態調整及其穩定性影響

3.模仿鳥類翅膀的翼型

○模仿鳥類翅膀的橫截面形狀： 這種設計利用了鳥類翅膀的空氣動力學特性，就像賽車利用流線型車身來減少風阻一樣，提高了飛行器的性能。

○實際應用： 例如，哈佛大學的 RoboBee 微型機器人採用了這種翼型設計，增強了其在小尺度下的穩定性和操控性【Fig.3】。

Figure 3. 翼型設計：模仿鳥類橫截面的翼型增強飛行器性能

4.翼尖小翼

○減少阻力，提升效率： 就像猛禽翅膀末端的羽毛，可以減少空氣阻力，讓飛行更省力。

○實際應用： 現代商用飛機的翅膀末端常見這種結構，能有效提高燃油效率和飛行性能。

5.結節狀突起

○控制氣流，防止失速： 受到座頭鯨胸鰭上小凸起的啟發，這些結構可以改善氣流，就像在車輪上加裝導流板來穩定車身一樣，降低失速風險。

○實際應用： 這種設計已被應用於風力渦輪葉片，特別適合需要頻繁調整角度的場合。

6.肋條紋

○降低摩擦阻力： 模仿鯊魚皮膚上的微小條紋，使空氣更順暢地流過飛行器表面，就像泳衣採用特殊材質減少水阻一樣。

○實際應用： 這種表面結構被應用在飛機機身上，提升了燃油效率和性能。

--應用場景與挑戰

展望未來，生物啟發設計有望廣泛應用於災害救援、環境監測以及地形複雜的地區，推動自動化飛行器的新發展。然而，將動物飛行的原理轉化為實際技術仍面臨著嚴峻的挑戰。首先，如何在保持飛行器靈活性的同時進一步提高能源效率，特別是在拍翼飛行器中利用渦流捕捉等生物學原理，仍然是一大技術瓶頸。此外，隨著無人機小型化的推動，如何在更小的尺寸中集成有效的控制系統和推進技術，並同時保持飛行穩定性，仍需要更多的技術突破。

撰寫者：林樂瑞

參考資料：Harvey, C., de Croon, G., Taylor, G. K., & Bomphrey, R. J. (2023). Lessons from natural flight for aviation: then, now and tomorrow. Journal of experimental biology, 226(Suppl_1), jeb245409.

https://doi.org/10.1242/jeb.245409