[论文解读] Optimized Body Deformation in Dragonfly Maneuvers

Ayodeji T. Bode Oke, Samane Zeyghami+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2017

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 7被引用 4

一句话总结

本研究探讨了蜻蜓在飞行机动过程中身体形变如何减少空气动力扭矩。通过采用具有可弯折的胸腹关节的柔性身体模型，作者优化了动态构型以最小化俯仰和偏航扭矩，发现与刚性模型相比，柔性身体显著降低了飞行所需扭矩，其中质量分布的变化是扭矩减少的主要原因。

ABSTRACT

Tail bending associated with maneuvering flight of insects is a known phenomenon although there are only a few studies which analyze and quantify the effects and benefits of body configuration changes. We hypothesized that these configuration changes help reduce the energy expenditure in flight. This is quantified by the magnitude of the aerodynamic torque generated by the insect during the maneuver. To test our hypothesis, a dragonfly body model was constructed with the ability to bend at the joint between the thorax and the tail. An optimization problem was defined to find the dynamic body configuration which minimizes the total pitch and yaw torque. The magnitude of the tail deflection was found to be directly correlated with the yaw velocity of the body. Most importantly, our results indicate that for executing the same aerial maneuver, an insect with a flexible body was found to require substantially smaller flight torque when compared to an insect with identical morphology but possessing a rigid body. In addition, changes in the instantaneous mass distribution of the body had the most substantial effect on reducing the flight torque, while the inertial term due to the tail movement had a smaller effect.

研究动机与目标

• 探究蜻蜓在飞行机动过程中身体形变是否能减少空气动力扭矩。
• 量化动态身体构型变化对飞行能效的改善效果。
• 确定质量分布变化与尾部运动引起的惯性效应在机动昆虫扭矩减少中的相对贡献。
• 建立并求解柔性蜻蜓模型中最小化俯仰和偏航扭矩的优化问题。

提出的方法

• 构建了具有胸腹关节柔性连接的蜻蜓计算模型，以模拟身体弯曲。
• 制定了优化框架，以识别能最小化总俯仰和偏航空气动力扭矩的身体构型。
• 模型整合了尾部运动引起的质量分布动态变化和惯性效应。
• 在代表真实飞行动力学和机动条件的约束下求解优化问题。
• 分析了尾部偏转对偏航速度的影响，以关联身体形状与机动性能。
• 在柔性与刚性身体构型之间进行了对比模拟，以分离形变的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 蜻蜓在飞行机动过程中，身体形变如何影响空气动力扭矩的大小？
• RQ2 质量分布变化与尾部运动引起的惯性效应在减少飞行扭矩中的相对贡献是什么？
• RQ3 尾部偏转在空中机动过程中与偏航速度的相关性有多大？
• RQ4 与形态相同但为刚性的模型相比，柔性身体构型是否能显著降低所需飞行扭矩？
• RQ5 在机动过程中，哪些身体构型参数最有效地最小化俯仰和偏航扭矩？

主要发现

• 尾部偏转幅度与蜻蜓身体在机动过程中的偏航速度直接相关。
• 与形态相同但为刚性的身体相比，柔性身体构型显著降低了所需飞行扭矩。
• 身体瞬时质量分布的变化对减少空气动力扭矩的影响最为显著。
• 尾部运动引起的惯性项对扭矩减少有较小但可测量的贡献。
• 优化结果表明，通过最小化空气动力阻力，动态身体形变可实现更节能的飞行机动。
• 本研究证实，身体柔韧性通过减少对高控制力的需求，提升了机动效率。