研究人员模仿进化来发现最适合飞行的形状

一组数学家已经确定了适合快速拍打翅膀飞行的理想机翼形状——这一发现为从水中获取能量以及提高空气速度提供了更好的方法。

这项研究发表在《英国皇家学会学报A》上，它依靠一种模仿进化生物学的技术来确定哪种结构能产生最好的速度。

“我们可以在实验室里模拟生物进化通过生成人口不同形状的翅膀,让他们实现一些目标的竞争,在这种情况下,速度,然后有最好的翅膀“品种”相关的形状,做得更好,”列夫Ristroph说,纽约大学助理教授报数学科学研究所和文章的资深作者。

在做出这些决定的过程中，研究人员在纽约大学的应用数学实验室进行了一系列实验。在这里，他们制造了3d打印的翅膀，这些翅膀可以机械地拍打，彼此竞争，获胜者通过进化或遗传算法“繁殖”，创造出速度更快的飞行者。

这段视频记录了实验过程并概述了结论。它揭示了理想的机翼形状扑翼飞行，与流动产生在机翼前部[红色]和后方[绿色]使用荧光染料可视化。(资料来源:纽约大学应用数学实验室)。

为了模拟这种繁殖过程，研究人员用10种不同形状的机翼开始了实验，测量了它们的推进速度。然后，该算法选择一对速度最快的翅膀(“父母”)，并结合它们的属性创建速度更快的“女儿”，然后进行3d打印和测试。他们重复这个过程创造了15代翅膀，每一代都比前一代更快地产生后代。

“这种‘最快的生存’过程会自动发现一个最快的泪滴状机翼，它能最有效地操纵气流产生推力，”里斯特罗夫解释说。“此外，由于我们在研究中探索了大量不同的形状，我们也能够准确地确定形状的哪些方面对最快机翼的强劲性能最重要。”

他们的研究结果表明，速度最快的机翼形状具有刀片般薄的后缘，这有助于在拍打过程中产生强大的旋涡或漩涡流。机翼在推动液体前进时，会留下这些涡流的痕迹。

“我们认为这项工作是一个案例研究和概念证明，适用于更广泛的复杂工程问题，特别是那些涉及到流动中的物体的问题，比如简化形状以最小化对结构的阻力，”Ristroph说。“例如，我们认为这可以用来优化结构的形状，以便在水波中收集能量。”

论文的其他作者包括索菲·拉马纳里沃(Sophie Ramananarivo)和托马斯·米契尔(Thomas Mitchel)。拉玛纳里沃当时是纽约大学的博士后，现在在巴黎理工大学(Ecole Polytechnique)工作。米契尔当时是纽约大学的本科生，现在在约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)工作。