摩天大楼之间的风对任何有兴趣在城市地区操作小型无人机的人来说都是一个巨大的障碍。然而，鸽子在动荡的城市天空中飞行似乎没有什么困难。斯坦福大学的研究人员开发了一种记录鸟类飞行过程中翅膀形状的新方法，旨在解开鸟类顺利飞行的秘密。
机械工程助理教授大卫·伦丁克(David Lentink)说:“我们正试图弄清楚鸟类是如何在这种复杂、动荡的环境中飞行得如此出色的，这在很大程度上来自于它们如何改变翅膀的形状，向左或向右，以快速适应阵风。”
鸟类翅膀的形状变幻莫测，但到目前为止，我们对翅膀每一次拍打的角度、扭曲和不对称都知之甚少。经过七年的发展，Lentink实验室可能已经想出了如何更密切地观察鸟类的变形技能。他们创造了一种自动记录机翼形状的新方法，这种方法可以在高速下工作，并产生高清3D重建。他们的工作细节发表在3月27日的杂志上实验生物学杂志．
记录动物运动
目前记录动物运动的技术通常依赖于附着在动物身上的跟踪标记或动物的条纹或斑点等特征，这种方法不能直接或自动地以高分辨率重建整个翅膀表面。其他使用图案光的方法更容易自动化，但记录鸟类飞行的速度太慢。
Lentink实验室建立在之前的结构光技术的基础上，但它的版本可以自动高速和高分辨率地分辨身体形状的变化。
“这个系统的伟大之处在于，它是世界上第一个全自动、高速重建鸟类的系统，”Lentink实验室的研究生、该论文的高级作者马克·迪珍(Marc Deetjen)说。
该小组的装置包括一台与投影仪同步的摄像机，投影仪投射出两种重叠的光模式。第一层是一个密集的网格，它覆盖了鸟的大部分表面，为研究人员提供了高分辨率的图像。第二种是一组间隔不等的线，就像条形码一样，垂直于第一个线。不规则的第二种模式保证了光场中没有两个区域看起来是一样的。当鸟飞过这些图案时，它的身体就像一个投影仪屏幕，直线光会根据鸟的形状变形。
Deetjen开发的一种算法将摄像机捕捉到的鸟身上的变形图案与原始投影图案相匹配。然后，它会生成一个详细的3D重建，显示鸟如何在光场中移动。
试飞
为了测试他们的技术，研究人员训练一只4岁的鹦鹉加里从一个栖木飞到另一个栖木，当它起飞时，光网格投射到鸟身上。加里的浅色使相机捕捉到清晰的光模式，就像一个接近白色的投影仪屏幕。在这篇论文中，研究小组只记录了这只鸟的顶部表面，但未来多台摄像机可以重建整个身体。
研究人员本打算把这作为对他们系统的一个简单测试，但最终得到了一个出乎意料和有趣的见解，他们认为这是一个错误。在记录了加里四次向下划水的一部分后，他们计算了加里的有效气动攻角——翅膀向后翻转的程度——发现第一次向下划水时始终在55度至75度之间，第二次向下划水时则在45度至60度之间。大多数飞机在迎角达到15度左右时就会失速，因为即使是这个迎角也会产生很大的阻力，导致气流与机翼分离，从而降低升力。研究人员得出结论，这只鸟实际上是在用向上的阻力支撑自己的体重。此外，它产生的升力是向前旋转的，所以它起到推力的作用。
Deetjen说:“它们实际上能够在起飞时产生更大的总力。”“这不仅使它们能够向上推，克服重力，还能加速前进。”
像这样的细节可以让我们更接近于在小型飞行器上复制鸟类的高效和快速起飞，比如无人机，这是Lentink实验室的专长。下一步，研究人员计划将这项技术应用于专门的鸟类风洞，以研究鸟类在湍流中飞行的许多奥秘。
尽管该团队在鸟类飞行中测试了这项技术，但它可以应用于许多形式的运动。例如，它可以显示在模拟碰撞过程中汽车形状的变化。Lentink说，他也一直在和一位在婆罗洲研究飞行蛇的科学家交谈，这位科学家可能想尝试一下这项技术。
Lentink说:“这是一项从动物运动到直接应用于工程的技术，在工程中，物体会快速变形。”“我们只需要创建一个框架，然后就可以在3D中重建形状。这种技术原则上没有速度限制。”
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