昆虫的振翅飞行原理研究进展

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1、北京大学君政学者论文集（2001）昆虫振翅飞行原理研究进展昆虫的振翅飞行原理研究进展TheImprovementofInsectsFlight学生：北京大学力学与工程科学系理论与应用力学专业98级程暮林指导教授：北京大学力学与工程科学系陈滨摘要昆虫经过漫长的进化过程，获得了令人惊叹的飞行技巧，其高度的飞行机动性令现代飞行器黯然失色。随着非定常流理论的完善，人们逐渐认识到非定常效应在昆虫飞行中起十分重要的作用。实验中前缘涡及其产生机制的发现为解释昆虫是如何通过振翅产生足够的升力奠定了基础。同时，借助于电子显微镜的帮助，人们认识到昆虫的翅

2、上存在若干智能微结构（thesmartmicroair12北京大学君政学者论文集（2001）昆虫振翅飞行原理研究进展vehicles）,使昆虫的翅在振动过程中自动地变形为适当的形状。本文通过综述近几十年，国内外的研究进展，提出一些尚待解决的问题，希望对进一步深入的研究有所帮助。AbstractInsectsgainsurprisingperfectflightmaneuverabilitythroughlongevolution,whichgreatlyprecedestheabilityofmordenflightvehicles.

3、Asthetheoryofunsteadyflowcomesintobeing,peoplegraduallyrealizethatunsteadyeffectplaysanimportantroleintheproductionofhigh-lift.Atthesametime,microstructuresonthewingsarefoundwiththehelpoftheelectronicmicroscope.Thesestructureswillautomaticallychangetheshapeofwingstothes

4、uitableone.Thisarticleisasummaryofthestudyduringrecentyearsandseveralquestionsarepresented,whichmaybehelpfultothefurtherstudyoftheflightofinsects.一．前言昆虫经过几千万年的漫长进化过程，获得令人惊叹的飞行技巧，例如，家蝇就能在急速飞行过程中急剧减速，悬空停住，以不超过其身长的半径转弯。昆虫这种高度的飞行机动性早已引起人们的注意和探索，然而以前研究手段不完善，一直进展不大。近几十年来由于非定常

5、流理论的完善，实验和计算技术的不断发展，加之军事上对微型飞行机械的原理的需求，这一方面的研究逐渐有了较大的发展。本文对近几十年国内外的研究结果加以总结概括，希望对今后的研究有所帮助。二．昆虫的生物学概述。[1，2，3]昆虫目是生物界最为庞大的物种之一，而能够飞行的昆虫种类占整个昆虫目的大部分。昆虫的飞行能力使它们便于躲避敌害，远途觅食，从而在“优胜劣汰”的进化法则下具有很大的优势。昆虫的飞行按其目的可分为迁飞（远距离迁徙）和飞翔（近距离飞行）12北京大学君政学者论文集（2001）昆虫振翅飞行原理研究进展，昆虫在迁飞过程中表现出极好的持

6、久性，可以持续数小时飞行；在飞翔过程中表现出高度的灵活性。昆虫振翅飞行原理研究着重于飞行中的机动性研究。昆虫与飞行相关的结构主要集中于翅胸节：翅胸节上着生有一对或两对翅，在背板的带动下上下扑动，同时其余的肌肉群控制翅绕扭转轴(从翅根部向翅尖方向辐射的某条直线)扭转，从而产生足够的升力和推力。昆虫的翅是膜质的，管状的翅脉较硬又有一定的弹性，起支撑和加固翅的作用。昆虫的运动感受器是多种多样的。为了控制飞行的速度和方向，以及飞行姿态，昆虫要通过改变翅的运动方式来实现，而某些昆虫能够通过改变自身各部分的相对位置来控制飞行，例如，对于像蜻蜓这类

7、昆虫，由于其腹部较长，能够弯曲甚至卷曲，因此腹节对飞行的控制也其一定的作用。一．早期研究方法和主要结果早期的研究方法主要是高速摄像或高速摄影[4，5，6，7]。对吊飞昆虫（虫体被细线系住或置于吊飞装置上）进行高速摄影（像），拍下昆虫拍翅的过程，然后进行图像处理和图像分析。对大量昆虫飞行的生物学观察表明：几种特定的翅的运动模式可能有利于昆虫的飞行，但我们对其背后的力学机制了解的还很不充分。这几种特定的翅的运动模式包括：A.最简单的一类中，翅上下扑动，同时翅沿扭转轴扭转，使攻角迅速地改变，在翅下拍至最低点时，翅快速地向外扭转（supina

8、ted），而在翅上抬至最高点时，翅快速地向内扭转(pronated)。蜻蜓，黄蜂等昆虫都具有这类振翅模式。表面看来，这种振翅模式是最简单的，但是目前为止我们对这一过程中各个控制参数（如振翅频率，振幅等等）的作用都不了解。