在一个炎热的夏天，隆德大学生物学家Christoffer Johansson和Per Henningsson在瑞典学校野外观测站附近的草地上涉水走过。他们蹑手蹑脚地朝一只哈密瓜色的昆虫扑去，准备用柔软的织物网把它收集起来。
对约翰逊和亨宁森来说，捕捉银色的豹纹蝶不仅仅是一个夏季爱好。他们使用慢动作摄像机和高速流量测量来确定是什么让这些蝴蝶有了独特的飞行模式。这一发现不仅有助于科学家更好地了解这种昆虫的生活，也有助于为下一代无人机的设计提供信息。
确定这些蝴蝶的不同飞行模式也可能有助于为下一代无人机的设计提供帮助。
约翰松说，这项工作并不总是容易的，她回忆起草地狩猎时的酷寒，或者在试验性风洞里疯狂地寻找标本，但它总是很有趣。
“我们通常大部分时间都在实验室里，”约翰逊说。“在这种情况下，我们实际上花了几天时间在草地上捕捉蝴蝶……但我想说，最有趣和令人沮丧的部分是在风洞的实际实验期间。”即使我们把蝴蝶放在一个特定的地方，一旦它起飞，它可以在隧道里快速移动并消失，然后在研究人员的头顶上再次出现。”
一个君主谜
蝴蝶不仅能在花丛间短暂地飞来飞去，而且还能进行长距离的持续迁徙飞行。例如，黑脉金斑蝶从美国迁徙到墨西哥，单程要走4800多公里(3000英里)。
约翰松说，这并不是蝴蝶飞行的唯一不同寻常之处。它们的身体大小与翅膀的比例也不同于其他昆虫，它们体型小，但翅膀却异常大。
约翰松和他的同事希望提供新的数据来帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，研究人员已经努力了近50年。
“与其他飞行动物相比，蝴蝶是极端的，”约翰逊说。“它们的机翼载荷很低，机翼宽高比也很低，这意味着与其他飞行动物相比，它们的翅膀本质上是大、短、宽的。”
蝶式起飞，下冲程用来支撑重量，上冲程用来产生推力。金宝app(图片来源:L. C. Johansson和P. Henningsson)
在20世纪70年代，科学家们推测，蝴蝶可能是通过在上升流的顶部合拍翅膀来推动它们前进，从而产生一股空气射流来实现这种多用途飞行的。然而，研究人员近50年来一直在努力证实这一机制，因为量化自由飞行活动，而不是在实验室条件下的拴系飞行，说起来容易做起来难。在他们的研究中，约翰松和亨宁森提供了新的数据，以帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，并理解如何将其用于其他应用。
约翰逊说:“通常很难想象基础研究最终会用于什么，但在这种情况下，无人机有直接的应用。”“有今天无人机飞行用拍击装置来产生力量。对他们来说，研究这种拟议中的蝴蝶机制，以提高无人机翅膀的灵活性，并最大限度地提高拍手的效率和力量，可能会很有趣。”
捕捉蝴蝶飞行
研究团队在隆德大学介绍了六个银汞粉蝴蝶进入隆德大学的循环风隧道，使用蜂蜜水送料器诱使昆虫起飞。这种风洞是独一无二的。它最初建造起来研究鸟飞。隧道中的一个大型风扇在每秒两米（4.5英里/小时）的空气中循环空气，以防止蝴蝶从团队的测量设置远离飞行。
研究小组使用四台高速摄像机记录蝴蝶引起的空气运动，另外两台摄像机捕捉蝴蝶的运动。这种被称为层析粒子图像测速技术的流动测量技术使研究人员能够创建流体流动的3D模型;研究小组可以通过研究空气动力来了解蝴蝶翅膀是如何推动飞行的。在这项研究中，重点是蝴蝶拍打翅膀时产生的气流。
只有1微米大小的微小气溶胶颗粒悬浮在风洞中。当蝴蝶在激光照射下穿过这些粒子时，高速摄像机捕捉到它们的运动。总共，该团队捕捉了25个序列，每个序列有一到三个翼拍。
Johansson说该团队使用MATLAB®用于数据分析，包括使用他为矢量分析设计的用户界面来研究蝴蝶飞行的流体动力学。
约翰松说:“我们的研究领域对技术和数字都有很高的要求，没有一个单一的软件可以按照我们想要的方式进行所有的分析。”“因此，我们需要自己创建大部分代码。”
“到目前为止，MATLAB是我们在这个项目中最有用的工具。”
隆德大学生物学家Christoffer Johansson说
蝴蝶在大约2毫秒的飞行中向上冲程和拍击时产生的推力－1．(图片来源:L. C. Johansson和P. Henningsson)
MathWorks的教育客户成功工程师Sagar Zade说:“我们使用MATLAB可视化流程并绘制实验结果。”
Johansson和Henningsson还使用MATLAB来计算气动力，确定拍板的气动功率，并使用蒙特卡罗模拟估算背景功率。
“这些实验结果的结果对于使用Matlab使用MATLAB来使用复杂的Navier Stokes方程式的未来研究人员来说是非常有价值的，”Zade补充说。
除了测量由蝴蝶飞行创造的喷射流外，该团队还分析了他们翅膀的形态如何努力在他们向上行程中创造杯形状，以改善这些喷气机。他们利用此数据来创建机械蝶翼，隔离柔性翅膀和杯形形状对拍手性能的影响。
约翰逊说，这些机械翅膀是简单的直角三角形，由轻木和乳胶膜组成，由伺服引擎和Arduino控制®董事会。机翼侧面的铰链使它们能够旋转和拍击在一起。柔性膜在拍手期间形成一个杯形，而刚性轻木不，允许性能比较和调查杯形单独的影响。约翰松说，在生物学家在隧道和机械翅膀实验室的工作之间，他们获得了一些关键的见解，了解蝴蝶飞行的动力学，以及如何重新创造它。他说，其中一个发现是，在拍击过程中，柔性薄膜翼在冲量和效率上比轻沙翼高出25%。他们还确定蝴蝶在飞行中向上和向下的划水有两个独特的目的。
“下行产生垂直力量，而上游和拍手产生推力，”约翰逊说。“与大多数飞行一样，垂直力量占主导地位。在这种特殊情况下，垂直力是推力的9.4倍。“
柔性机翼可以提高拍翼的力和效率。(图片来源:L. C. Johansson和P. Henningsson)
该团队的完整研究发表在杂志上的皇家学会界面．
由于Johansson和Henningsson没有Matlab的正式培训，Johansson表示，软件的可访问性，其灵活性和易用性是这项工作的巨大资产。
“到目前为止，MATLAB是我们在这个项目中最有用的工具，”约翰逊说。
除了蝴蝶
在使用这种方法成功捕捉蝴蝶飞行之后，约翰逊感兴趣的是如何更广泛地应用于其他生物的飞行模型，从鸟类和蝙蝠到微生物。
大自然完善飞行的时间比人类长得多。通过研究这些生物实现这一目标的无数方法，工程师们可以制造出更高效、更有活力的飞行甚至游泳无人机。有一天，这些无人机可能会把食品杂货送到你家门口，或者探索深海来研究海洋生物。
约翰松说:“有人认为蝴蝶会使用书中提到的所有飞行技巧。”“要弄清楚这是否是真的，以及不同的条件如何影响这些机制，还有很多研究要做。”
