东莞理工学院宋加雷首次详细揭示蜂鸟飞行的

“天空中不留下鸟的痕迹，但我已飞过”，泰戈尔在诗中写道。但在真实的世界里，飞鸟的身后并不是了无痕迹，而是会留下它对空气扰动产生的涡。通过对这些涡的定量分析，可以得到鸟的飞行动力学特性。

东莞理工学院宋加雷博士，便是在观察动物飞行场景中，研究其机理，来设计更高效、更敏捷的新一代飞行器。年2月，宋加雷参与开发的粒子追踪测速技术（ParticleTrackingVelocimetry），成功实现了对飞行中三种猛禽（苍鹄，灰林鹄及苍鹰）流场定量测量，被《自然》杂志媒体频道专题报道。Altmetric评价其影响力位列全球同期发表所有研究的top1%。

科学家介绍

宋加雷，博士，东莞理工学院机械工程学院教师，科技创新研究院机器人与智能装备中心团队成员，主要研究方向为生物运动（特别是流体相关领域）的推进机理研究和仿生设计。本科就读于中国科技大学由钱学森创立的近代力学系，毕业后到美国范德堡大学学校，用四年半时间拿到机械工程博士学位。其后，在香港中文大学、英国伦敦大学皇家兽医学院做研究工作。

从形似到神似的仿生演变

鹰击长空，鱼翔浅底。

“动物经过上亿年的演化，已经进化出卓越的运动技能，通过研究它们的运动，我们可以学习运动形态，提高能量利用的效率或实现有效的运动”，宋加雷博士说。这些研究成果，对于高效敏捷的微型飞行器、具有隐身效果的水下机器鱼等的设计，均具有重要参考价值。“同时，人类不宜盲目地复制运动和形态，还要摸清细节的机理，让仿生从形似像神似演变。”宋加雷补充道。

从蜂鸟飞行的升力产生机制的探究、鱼类游动的动力学和机器鱼的优化设计、到猛禽飞行的空气动力学，宋加雷的仿生研究是一个交叉学科的研究，包含力学、生物、计算机和机械设计等，采用的技术涉及高性能计算机模拟，流场显示技术和高速摄影技术等。

耕耘多年，宋加雷的研究成果被国际同行广泛认可：他在国际上第一次建立了蜂鸟飞行的高精度CFD仿真模型，详细讨论了蜂鸟飞行中的升力产生的复杂机理，并被国际著名科技杂志《连线》和主流媒体《华盛顿邮报》等报道；他与英国伦敦大学皇家兽医学院合作的研究，率先使用粒子追踪的方法，结合高精度的高速摄影术和CFD仿真，得到猛禽身后的流场的旋涡结构与三维速度，并被《自然》杂志视频报道；因在仿生飞行空气动力学方面的研究成果，近期，宋加雷被美国国家航空博物馆遴选为典型人物，在博物馆主题展览“Howthingsfly”中展出。

《自然》杂志报道画面截图，追踪研究猛禽飞行空气中悬浮的氦气气泡

首次详细揭示蜂鸟飞行的动力学机制

蜂鸟飞行的研究是宋博士最有兴趣的研究之一。

蜂鸟被称为“飞行的珍珠”，飞行时翅膀每分钟能拍动多次，可以在空中悬停，也可以快速前飞，后飞，甚至翻转身体飞行。蜂鸟卓越的飞行能力引起了生物学者与工程师的兴趣，试图精确探测它的飞行机理。

但怎样得到蜂鸟飞行时高精度的空气动力学结果呢？由于蜂鸟体型太小，很难在翅膀上装探测仪器而不影响它飞行，所以需要高性能数值模拟的方法（CFD）来获取结果。

首先要得到蜂鸟精确的运动形态。蜂鸟不听人指挥，“但蜂鸟是个‘吃货’，”宋加雷笑着说，“我们在实验室的测量区域做了一个装置来放花蜜、蜂糖等食物，蜂鸟就会稳定地悬停在那里采食，我们就可以通过高速摄像机来拍下它的运动细节了。”

“对于向前飞行的研究，那我们再造一个风洞环境吹风，蜂鸟会固定在风洞里花蜜的地方，这样模拟出来的也是蜂鸟前飞的运动形态。”

通过高保真度的运动细节捕捉和高性能计算机的CFD模拟，宋加雷的研究揭示了蜂鸟飞行中的多种升力产生机理。

此外，他们还发现，蜂鸟在前后拍翼的过程中，有一个利用惯性省力的精妙机理：翅膀来回翻转，但是这个翻转动作完全是被动的，即不需要用肌肉来推动。“这个就有点像人走路时手臂的被动摆动，没听说过哪个人走路太多手臂给摆累了。”宋加雷说。

因此，在仿蜂鸟或昆虫拍翼飞行器的设计中，可以应用这个惯性驱动、被动运动的机制，简化飞行器的结构设计和电机驱动。现在，宋加雷与美国宾州州立大学的同行正在合作研究，希望设计出与蜂鸟飞行特点相似的拍翼飞行器。

研究猛禽飞行，成果获空客公司

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