千叶大学大学院工学研究院刘浩教授等研究团队，利用最新的流体-结构耦合（FSI）模型（注1），阐明了天蛾（Manduca sexta）在向前飞行中，翅膀根部「翅膀铰链」的弹性与自然拍动翅膀的振动如何对飞行稳定性产生贡献。这项研究深入探讨了昆虫如何在最小化复杂神经控制的同时，通过被动机械机制实现稳健飞行之谜，预计将有助于简化仿生飞行机器人的控制并提高其稳定性。 本研究成果于2026年4月1日发表在《Journal of the Royal Society Interface》上。 （论文链接：10.1098/rsif.2025.1011） 图：振动稳定化的飞行速度依赖性(a)与翅膀铰链刚度依赖性：全身速度(b)、俯仰角(c) ■ 研究背景 飞行昆虫拥有一种独特的机制，称为「振动稳定化」（注2），它利用翅膀和身体的高速振动来稳定飞行。以往的研究主要讨论悬停（空中停止）时的稳定性（参考文献1.2），但在广泛的向前飞行速度范围内，柔性翅膀铰链如何影响飞行稳定性仍未阐明。因此，研究团队开发了一个集成弹性翅膀铰链和非定常拍动翅膀空气动力学的计算模型，全面评估了从悬停到高速飞行的被动稳定性。 ■ 研究成果重点 1. 「柔性翅膀铰链」与「广泛速度范围」的集成分析：首次将柔性翅膀铰链的动态与0.9 m/s至5.0 m/s的各种向前飞行速度集成到振动稳定化框架中，详细分析了翅膀高速振动与身体行为的同步性。 2. 发现阶段性稳定策略：发现稳定化的主要角色会根据飞行速度而变化。 3. 低速飞行时：翅膀振动产生的「振动刚度」（注3）产生弹簧般的恢复力，维持俯仰稳定性。 4. 高速飞行时：随着速度增加，振动刚度的贡献减少，取而代之的是空气动力学的「阻尼效应」（注4）开始主导稳定化。 5. 优化的生物铰链刚度：天蛾实际翅膀铰链的硬度（弹性）经过最佳调整，以最大化振动稳定化并加速对扰动的姿态恢复。 ■ 未来展望 未来，需要阐明在拍动频率更高、体型比天蛾小的蜜蜂等昆虫中，类似机制如何运作。此外，预计将集成虚拟肌肉模型等AI驱动的仿真框架，以探索更复杂环境下的最佳飞行策略。 ■ 术语解释 注1）流体-结构耦合（FSI）模型：同时计算流体（空气）运动与结构物（翅膀和身体）变形和运动相互作用的仿真方法。用于高精度分析飞行中的力与变形。 注2）振动稳定化（Vibrational Stabilization）：通过高速拍动振动，在时间平均上产生恢复力，使飞行姿态稳定的现象。 注3）振动刚度（Vibrational Stiffness）：高速拍动产生的虚拟弹簧般恢复力的特性。特别有助于低速飞行时的姿态稳定。 注4）阻尼效应（Damping Effects）：空气阻力对旋转运动起到制动作用的机制，尤其在高速飞行时效果显著，能快速抑制姿态摆动。 ■ 参考文献1） 标题：Vortices and forces in biological flight: insects, birds, and bats 作者：Hao Liu, Shizhao Wang, Tianshu Liu 期刊名称：Annual Review of Fluid Mechanics DOI：10.1146/annurev-fluid-120821-032304 ■ 参考文献2） 标题：Vibrational control: a hidden stabilization mechanism in insect flight 作者：Haithen E. Taha, Mohammadali Kiani, Tyson L. Hedrick, Jeremy S. M. Greeter 期刊名称：Science Robotics DOI：10.1126/scirobotics.abb