3 月 6 日消息，美國普林斯頓大學的研究人員從鳥類身上獲得靈感，試圖為未來的飛機配備羽毛狀的襟翼。研究表明，飛機機翼上的自由移動面板能提升穩定性、緩解湍流并提高燃油效率。

在一個溫暖的夏日早晨，普林斯頓大學航空航天工程師艾米?維薩（Aimy Wissa）正在該校直升機停機坪準備操控一架遙控飛機。但這并非普通航模。維薩團隊沿機翼上表面精心固定了三排薄而柔韌的塑料襟翼，以膠帶作為鉸鏈連接。

在空中，這架 1.5 米寬的飛機由一臺微型飛行計算機引導，反復執行測試機動 —— 逐步增大迎角直至失去升力進入不穩定狀態，即所謂“失速”。維薩通過機載傳感器數據發現，襟翼使失速現象呈現漸進式特征，且僅在飛機迎角更大時發生。這些襟翼能夠防止升力的突然下降，從而提高飛機的整體穩定性。

這一實驗靈感來源于空中的飛行大師 —— 鳥類。多年前，維薩在普林斯頓大學讀研期間偶然看到一段北鰹鳥在陣風中飛行的視頻。她注意到鸕鶿翅膀下方的小羽毛以一種不尋常的方式翹起。與塑造鳥類體型的廓羽及用于飛行的飛羽不同，這些覆羽更小、更柔軟，呈屋頂疊瓦狀分層排列。在正常飛行時，這些覆羽保持平展，但當鳥類進行快速轉彎或降落時，它們會微微抬起，幫助鳥類抑制湍流影響。

維薩的前學生、現任加州工程咨詢公司 Exponent 的航空航天工程師吉爾古斯?賽德克（Girguis Sedky）表示：“我們開始思考，是否可以利用這些使鳥類飛行如此靈活和機動的元素，來改進我們的工程系統。”

盡管失速或失控引發的空難在商業航空中較為罕見，但一旦發生就會造成災難性后果。飛行員操作失誤、機械故障或湍流均可能導致飛機失速失控并從高空墜落。

通過研究多排覆羽的作用機制，并用柔性塑料襟翼模擬其效果，維薩團隊證實這種仿生設計可提升飛機穩定性，為未來在全尺寸飛機上應用類似設計奠定技術基礎。與傳統的機械控制襟翼不同，這些羽毛襟翼沿著機翼上表面延展，能根據氣流變化自由移動，類似鳥翼上的覆羽，且不依賴傳感器或執行器控制。在維薩的模型飛機中，當遇到湍流或大迎角時，襟翼會自動抬起，微調氣流，從而增強飛機的穩定性和升力。

維薩團隊的研究延續了從鳥類飛行中汲取靈感這一悠久卻一度沉寂的傳統。15 世紀末，達芬奇（Leonardo da Vinci）就開始繪制受鳥類翅膀動作啟發的飛行器草圖；19 世紀末，奧托?李連塔爾（Otto Lilienthal）等科學家根據鳥翼的形狀設計并制造了滑翔機。他還撰寫了詳細的案例研究，探討如何將鳥類飛行原理轉化至航空工程領域的實際應用，這對后來的工程師，包括萊特兄弟，產生了深遠的影響。

這些航空先驅對鳥類的癡迷不言而喻。荷蘭格羅寧根大學實驗生物學家大衛?倫丁克（David Lentink）表示：“如果連會飛的事物都未曾見過，人類怎敢想象自己翱翔？”

然而，隨著時間的推移，航空工程師們漸漸認為，他們已經不再需要從自然中尋找靈感。盡管世界上存在數百萬種飛行的昆蟲、超過 1400 種蝙蝠和 1 萬多種鳥類，但大多數飛行物種并未被深入研究。倫丁克補充道：“我們或許知道它們的名字、產卵方式或棲息地，但我們并不了解它們是如何飛行的。”他認為，這是一個巨大的機會損失，因為研究動物的飛行方式能幫助研究人員跳出傳統框架，獲得新視角，理解動物如何在飛行中適應不斷變化的物理條件。

維薩注意到，盡管之前的研究探討了單個覆羽狀襟翼對氣流的影響，但鳥類不僅僅有一排覆羽，而是多排相互作用的覆羽，它們相互作用的方式還未得到充分研究。關于這些相互作用、它們對氣流的影響以及如何將這些襟翼集成到飛機原型中的研究非常有限。

于是，維薩的團隊開始在機翼上表面的不同位置安裝單排鉸接式襟翼，并通過風洞實驗測量氣流的變化。賽德克解釋道：“當我們將襟翼放置在不同位置時，它會顯著改變氣流，帶來一定的升力效益。”他們發現，簡單增加襟翼的數量，便能放大這些效果。

隨后，團隊研究了多排襟翼的效果，發現它們的氣動效益得到了加強。為了將這些設計應用于實際飛機原型，研究團隊考慮了合適的材料，最終選擇了輕便且柔韌的塑料薄膜，以復制覆羽的自然剛性和質量。維薩表示：“我們的目標是簡化從生物學到工程學的轉換過程。”襟翼通過膠帶精確安裝在模型飛機上，確保材料和位置得當 —— 因材料剛性或重量過高會導致襟翼無法靈活展開。

維薩及其團隊隨后測試了襟翼在特定場景下的表現，比如飛機需要在短跑道上緊急著陸或遭遇突如其來的強風。飛機翼面與迎面氣流呈大角度時保持控制至關重要，這不僅關系到飛機的穩定性，還能有效防止失速。在風洞試驗和原型飛機測試中，研究團隊發現，增加襟翼后，飛機的升力提升幅度最高達 45% ，而阻力降低了近 31%，有效防止了失速現象。

這些發現對于未來航空業具有重大意義。氣候變化導致天氣條件愈加不可預測和極端。過去四十年中，極端湍流事件的頻率增加了 55%。為了確保乘客安全，飛機必須具備更強的抗擾能力，能夠在復雜條件下靈活應對，同時保持穩定性和安全性。

與此同時，空中交通量的不斷增長，也使得探索提高飛機效率、減少飛行碳排放的創新成為當務之急，而不僅僅依賴燃料的創新。被動式技術改進能夠在不依賴復雜電子系統的情況下，提供有效的解決方案。

然而，這類技術的商業化應用之路充滿挑戰 —— 許多受動物啟發的技術也面臨類似困境。例如，20 世紀 80 年代，科學家發現鯊魚體表覆蓋著名為“微肋結構”的細小突起，可減少游動時的阻力。研究人員曾設想，若將這一設計應用到飛機上，是否能夠顯著降低燃油消耗。1997 年，研究量化表明，鯊魚皮式微肋結構可減少飛機近 10% 的阻力。然而，直到 2016 年，商用飛機測試才正式開始。

德國航空技術公司 Lufthansa Technik 開發了 AeroSHARK，一種受到鯊魚皮膚啟發的飛機表面技術。該公司發言人稱：“目前，7 家航空公司旗下的 25 架飛機已采用我們的鯊魚皮技術，且數量持續增長。”她還表示，這種創新需要幾十年的持續研究，并且將新技術集成到現有機隊中而不干擾運營，依然是一個巨大的挑戰。

對于如何規模化應用這些羽毛啟發的襟翼，維薩表示：“我們面臨一些工程實施挑戰，比如選擇什么樣的材料制造襟翼，以及如何將它們正確地固定到機翼上。”

但將這一創新應用于商業化，遠不如在小型原型飛機上安裝薄膜那樣簡單。蒙特利爾大學的航空工程師魯克桑德拉?波泰茲（Ruxandra Botez）指出：“通常，商業化的整合創新解決方案會迅速變得復雜且需要跨學科合作。”飛機需通過一系列安全測試與認證，耗時可能長達數年。她還提到，大多數現代飛機是在前一代飛機的基礎上逐步改進的，制造商往往不愿偏離現有設計。

然而，倫丁克認為僅聚焦于商業規模化是錯誤方向。他表示：“如果只有那些顯而易見的可擴展性創新才會被測試，研究人員將無法跳出常規框架。如果你要在航空航天領域真正創新，就必須提出天馬行空的構想。”他認為，過于關注最終應用可能限制工程師創造新事物的能力。他補充道，目前這些羽毛啟發的襟翼可能距離實際應用還較遠，“但我并不視其為批評，而是看作研究人員正在開發關鍵的理念，這些理念有望通過技術進展，朝著實際應用邁進。”

科學家們一致認為，未來的飛機設計必須繼續從自然界汲取靈感。鳥類的飛行能力在靈活性和機動性上超過了任何人類制造的飛行器。賽德克說：“如果我們希望創造能在不可預測條件下高效且適應性強的飛機，必然需要將鳥類飛行的某些特征融入到下一代設計中。”

即使無法應用于大型商用飛機，維薩認為這些羽毛啟發的創新可能為小型飛機帶來顛覆性改變。未來的小型飛機，特別是在包裹遞送或城市空中出行等領域，將扮演越來越重要的角色。像飛行出租車這樣的服務正在受到初創公司的關注，而這些飛機在狹小空間的起降中，襟翼設計將極大提升升力和控制能力。

維薩解釋道：“飛機尺寸越小，越易受陣風、強風及湍流等環境因素影響。未來的小型飛行器如果裝備了這些襟翼，或許能應對那些本會把飛機拋離天空的陣風。”