御风而行！下一代飞行器向鸟类借一双“翅膀”

3月6日消息，美国普林斯顿大学的研究人员从鸟类身上获得灵感，试图为未来的飞机配备羽毛状的襟翼。研究表明，飞机机翼上的自由移动面板能提升稳定性、缓解湍流并提高燃油效率。

（图注：飞机机翼后缘的可活动装置为襟翼，可以在起飞、降落和低速飞行时，通过改变机翼曲率或面积来增加升力或控制阻力。）

在一个温暖的夏日早晨，普林斯顿大学航空航天工程师艾米·维萨（Aimy Wissa）正在该校直升机停机坪准备操控一架遥控飞机。但这并非普通航模。维萨团队沿机翼上表面精心固定了三排薄而柔韧的塑料襟翼，以胶带作为铰链连接。

在空中，这架1.5米宽的飞机由一台微型飞行计算机引导，反复执行测试机动——逐步增大迎角直至失去升力进入不稳定状态，即所谓“失速”。维萨通过机载传感器数据发现，襟翼使失速现象呈现渐进式特征，且仅在飞机迎角更大时发生。这些襟翼能够防止升力的突然下降，从而提高飞机的整体稳定性。

这一实验灵感来源于空中的飞行大师——鸟类。多年前，维萨在普林斯顿大学读研期间偶然看到一段北鲣鸟在阵风中飞行的视频。她注意到鸬鹚翅膀下方的小羽毛以一种不寻常的方式翘起。与塑造鸟类体型的廓羽及用于飞行的飞羽不同，这些覆羽更小、更柔软，呈屋顶叠瓦状分层排列。在正常飞行时，这些覆羽保持平展，但当鸟类进行快速转弯或降落时，它们会微微抬起，帮助鸟类抑制湍流影响。

维萨的前学生、现任加州工程咨询公司Exponent的航空航天工程师吉尔古斯·赛德克（Girguis Sedky）表示：“我们开始思考，是否可以利用这些使鸟类飞行如此灵活和机动的元素，来改进我们的工程系统。”

尽管失速或失控引发的空难在商业航空中较为罕见，但一旦发生就会造成灾难性后果。飞行员操作失误、机械故障或湍流均可能导致飞机失速失控并从高空坠落。

通过研究多排覆羽的作用机制，并用柔性塑料襟翼模拟其效果，维萨团队证实这种仿生设计可提升飞机稳定性，为未来在全尺寸飞机上应用类似设计奠定技术基础。与传统的机械控制襟翼不同，这些羽毛襟翼沿着机翼上表面延展，能根据气流变化自由移动，类似鸟翼上的覆羽，且不依赖传感器或执行器控制。在维萨的模型飞机中，当遇到湍流或大迎角时，襟翼会自动抬起，微调气流，从而增强飞机的稳定性和升力。

维萨团队的研究延续了从鸟类飞行中汲取灵感这一悠久却一度沉寂的传统。15世纪末，达芬奇（Leonardo da Vinci）就开始绘制受鸟类翅膀动作启发的飞行器草图；19世纪末，奥托·李连塔尔（Otto Lilienthal）等科学家根据鸟翼的形状设计并制造了滑翔机。他还撰写了详细的案例研究，探讨如何将鸟类飞行原理 转化至航空工程领域的实际应用，这对后来的工程师，包括莱特兄弟，产生了深远的影响。

这些航空先驱对鸟类的痴迷不言而喻。荷兰格罗宁根大学实验生物学家大卫·伦丁克（David Lentink）表示：“如果连会飞的事物都未曾见过 ，人类怎敢想象自己翱翔？”

然而，随着时间的推移，航空工程师们渐渐认为，他们已经不再需要从自然中寻找灵感。尽管世界上存在数百万种飞行的昆虫、超过1400种蝙蝠和1万多种鸟类，但大多数飞行物种并未被深入研究。伦丁克补充道：“我们或许知道它们的名字、产卵方式或栖息地，但我们并不了解它们是如何飞行的。”他认为，这是一个巨大的机会损失，因为研究动物的飞行方式能帮助研究人员跳出传统框架，获得新视角，理解动物如何在飞行中适应不断变化的物理条件。

维萨注意到，尽管之前的研究探讨了单个覆羽状襟翼对气流的影响，但鸟类不仅仅有一排覆羽，而是多排相互作用的覆羽，它们相互作用的方式还未得到充分研究。关于这些相互作用、它们对气流的影响以及如何将这些襟翼集成到飞机原型中的研究非常有限。

于是，维萨的团队开始在机翼上表面的不同位置安装单排铰接式襟翼，并通过风洞实验测量气流的变化。赛德克解释道：“当我们将襟翼放置在不同位置时，它会显著改变气流，带来一定的升力效益。”他们发现，简单增加襟翼的数量，便能放大这些效果。

随后，团队研究了多排襟翼的效果，发现它们的气动效益得到了加强。为了将这些设计应用于实际飞机原型，研究团队考虑了合适的材料，最终选择了轻便且柔韧的塑料薄膜，以复制覆羽的自然刚性和质量。维萨表示：“我们的目标是简化从生物学到工程学的转换过程。”襟翼通过胶带精确安装在模型飞机上，确保材料和位置得当—— 因材料刚性或重量过高会导致襟翼无法灵活展开 。

维萨及其团队随后测试了襟翼在特定场景下的表现，比如飞机需要在短跑道上紧急着陆或遭遇突如其来的强风。飞机翼面与迎面气流呈大角度时保持控制至关重要，这不仅关系到飞机的稳定性，还能有效防止失速。在风洞试验和原型飞机测试中，研究团队发现，增加襟翼后，飞机的升力提升幅度最高达45% ，而阻力降低了近31%，有效防止了失速现象。

这些发现对于未来航空业具有重大意义。气候变化导致天气条件愈加不可预测和极端。过去四十年中，极端湍流事件的频率增加了55%。为了确保乘客安全，飞机必须具备更强的抗扰能力，能够在复杂条件下灵活应对，同时保持稳定性和安全性。

与此同时，空中交通量的不断增长，也使得探索提高飞机效率、减少飞行碳排放的创新成为当务之急，而不仅仅依赖燃料的创新。被动式技术改进能够在不依赖复杂电子系统的情况下，提供有效的解决方案。

然而，这类技术的商业化应用之路充满挑战——许多受动物启发的技术也面临类似困境。例如，20世纪80年代，科学家发现鲨鱼体表覆盖着名为“微肋结构”的细小突起，可减少游动时的阻力。研究人员曾设想，若将这一设计应用到飞机上，是否能够显著降低燃油消耗。1997年，研究量化表明，鲨鱼皮式微肋结构可减少飞机近10%的阻力。然而，直到2016年，商用飞机测试才正式开始。

德国航空技术公司Lufthansa Technik开发了AeroSHARK，一种受到鲨鱼皮肤启发的飞机表面技术。该公司发言人称：“目前，7家航空公司旗下的25架飞机已采用我们的鲨鱼皮技术，且数量持续增长。”她还表示，这种创新需要几十年的持续研究，并且将新技术集成到现有机队中而不干扰运营，依然是一个巨大的挑战。

对于如何规模化应用这些羽毛启发的襟翼，维萨表示：“我们面临一些工程实施挑战，比如选择什么样的材料制造襟翼，以及如何将它们正确地固定到机翼上。”

但将这一创新应用于商业化，远不如在小型原型飞机上安装薄膜那样简单。蒙特利尔大学的航空工程师鲁克桑德拉·波泰兹（Ruxandra Botez）指出：“通常，商业化的整合创新解决方案会迅速变得复杂且需要跨学科合作。”飞机需通过一系列安全测试与认证，耗时可能长达数年。她还提到，大多数现代飞机是在前一代飞机的基础上逐步改进的，制造商往往不愿偏离现有设计。

然而，伦丁克认为仅聚焦于商业规模化是错误方向。他表示：“如果只有那些显而易见的可扩展性创新才会被测试，研究人员将无法跳出常规框架。如果你要在航空航天领域真正创新，就必须提出天马行空的构想。”他认为，过于关注最终应用可能限制工程师创造新事物的能力。他补充道，目前这些羽毛启发的襟翼可能距离实际应用还较远，“但我并不视其为批评，而是看作研究人员正在开发关键的理念，这些理念有望通过技术进展，朝着实际应用迈进。”

科学家们一致认为，未来的飞机设计必须继续从自然界汲取灵感。鸟类的飞行能力在灵活性和机动性上超过了任何人类制造的飞行器。赛德克说：“如果我们希望创造能在不可预测条件下高效且适应性强的飞机，必然需要将鸟类飞行的某些特征融入到下一代设计中。”

即使无法应用于大型商用飞机，维萨认为这些羽毛启发的创新可能为小型飞机带来颠覆性改变。未来的小型飞机，特别是在包裹递送或城市空中出行等领域，将扮演越来越重要的角色。像飞行出租车这样的服务正在受到初创公司的关注，而这些飞机在狭小空间的起降中，襟翼设计将极大提升升力和控制能力。

维萨解释道：“飞机尺寸越小，越易受阵风、强风及湍流等环境因素影响。未来的小型飞行器如果装备了这些襟翼，或许能应对那些本会把飞机抛离天空的阵风。”（小小）