3 月 6 日消息，美国普林斯顿大学的研究人员从鸟类那里得到启发。他们试图给未来的飞机安装羽毛状的襟翼。研究显示，飞机机翼上那些可以自由移动的面板，能够提升稳定性，能够缓解湍流，还能够提高燃油效率。
飞机机翼后缘有可活动装置，这就是襟翼。在起飞、降落以及低速飞行的时候，襟翼可以通过改变机翼的曲率或者面积，从而达到增加升力或者控制阻力的目的。
在一个夏日的早晨，天气很温暖。普林斯顿大学的航空航天工程师艾米·维萨（Aimy Wissa）在该校的直升机停机坪上，准备操控一架遥控飞机。然而，这架飞机并非普通的航模。维萨的团队在机翼的上表面，精心地固定了三排又薄又柔韧的塑料襟翼，并且用胶带作为铰链将它们连接起来。
这架 1.5 米宽的飞机在空气中由一台微型飞行计算机引导，它反复进行测试机动。在测试机动中，飞机逐步增大迎角，直至失去升力进入不稳定状态，也就是所谓的“失速”。维萨通过机载传感器数据发现，襟翼使得失速现象呈现出渐进式的特征，并且只有在飞机迎角更大的时候才会发生。这些襟翼能够防止升力突然下降，进而提高飞机的整体稳定性。
这一实验的灵感源自空中的飞行大师，也就是鸟类。多年前，维萨在普林斯顿大学读研时，偶然看到了一段北鲣鸟在阵风中飞行的视频。她留意到鸬鹚翅膀下方的小羽毛是以一种不同寻常的方式翘起的。这些覆羽与塑造鸟类体型的廓羽以及用于飞行的飞羽不一样，它们更小、更柔软，并且呈屋顶叠瓦状分层排列。正常飞行时，这些覆羽是平展着的。而当鸟类进行快速转弯动作的时候，它们会微微抬起。并且在鸟类降落时，它们也会微微抬起，其作用是帮助鸟类抑制湍流带来的影响。
维萨的一位前学生，现为加州工程咨询公司 Exponent 的航空航天工程师吉尔古斯·赛德克表示，他们开始进行思考，思考是否能够运用这些让鸟类飞行变得如此灵活且机动的元素，以对他们的工程系统进行改进。
失速或失控引发的空难在商业航空中比较少见。然而，一旦这类空难发生，就会带来极其严重的后果。飞行员的操作失误有可能致使飞机失速失控，机械故障也可能让飞机失速失控，甚至湍流也可能导致飞机失速失控并从高空坠落。
维萨团队通过对多排覆羽的作用机制进行研究，并且用柔性塑料襟翼来模拟其效果，证实了这种仿生设计能够提升飞机的稳定性，为未来在全尺寸飞机上应用类似设计奠定了技术基础。这些羽毛襟翼沿着机翼上表面延展，能根据气流的变化自由移动，就像鸟翼上的覆羽一样，并且它们不依赖传感器或执行器来进行控制，与传统的机械控制襟翼有所不同。维萨的模型飞机在遇到湍流或大迎角的情况时，襟翼会自动抬起，通过这种方式来微调气流，进而增强飞机的稳定性和升力。
维萨团队的研究延续了一个悠久且曾沉寂的传统，那就是从鸟类飞行中汲取灵感。15 世纪末，达芬奇开始绘制飞行器草图，这些草图受鸟类翅膀动作的启发；19 世纪末，奥托·李连塔尔等科学家依据鸟翼的形状设计并制造了滑翔机。其中包括莱特兄弟。
这些航空先驱对鸟类的痴迷是很明显的。荷兰格罗宁根大学的实验生物学家大卫·伦丁克说：“如果人类连会飞的事物都没有见过，那又怎么敢想象自己能够翱翔呢？”
然而，时间不断推移，航空工程师们逐渐有了这样的看法，即他们不再需要从自然中去获取灵感。世界上有数百万种会飞行的昆虫，还有超过 1400 种蝙蝠以及 1 万多种鸟类。但大多数飞行物种都没有被深入地进行研究。伦丁克接着说：“我们或许知晓它们的名字、产卵的方式或者栖息地，然而，我们并不清楚它们是怎样飞行的。”他觉得这是一个极大的机会损失。因为研究动物的飞行方式，能够促使研究人员跳出传统的框架，进而获得新的视角，让他们理解动物在飞行过程中是如何适应不断变化的物理条件的。
维萨留意到，先前的研究对单个覆羽状襟翼影响气流的情况进行了探讨。然而，鸟类并非仅有一排覆羽，而是存在多排相互作用的覆羽。这些覆羽相互作用的方式尚未得到充分的研究。关于这些相互作用、它们对气流的影响以及怎样将这些襟翼整合到飞机原型中的研究十分有限。
维萨的团队开始在机翼上表面的不同位置安装单排铰接式襟翼，接着通过风洞实验来测量气流的变化。赛德克解释说，把襟翼放置在不同位置，会对气流产生显著改变，从而带来一定的升力效益。他们还发现，仅仅增加襟翼的数量，就能够放大这些效果。
团队随后研究了多排襟翼的效果，发现其气动效益得以加强。为把这些设计应用于实际飞机原型，研究团队考虑了合适的材料，最终选定了轻便且柔韧的塑料薄膜，用来复制覆羽的自然刚性和质量。维萨称：“我们的目标是简化从生物学到工程学的转换过程。”襟翼被精确地安装在模型飞机上，是通过胶带完成的。这样做是为了确保材料和位置都恰当。因为如果材料的刚性过高或者重量过大，就会使得襟翼无法灵活地展开。
维萨及其团队接着对襟翼在特定场景下的表现进行了测试。其中包括飞机需要在短跑道上紧急着陆的情况，以及遭遇突如其来强风的情况。当飞机翼面与迎面气流呈大角度时，保持控制是极为重要的。这不仅关乎飞机的稳定性，还能有效地防止失速。在风洞试验中，研究团队发现，增加襟翼后，飞机的升力有提升。在原型飞机测试中，研究团队也发现，增加襟翼后，飞机的升力提升幅度最高能达到 45%。同时，在风洞试验和原型飞机测试中，研究团队还发现，增加襟翼后，飞机的阻力降低了，降低的幅度接近 31%。并且，通过增加襟翼，有效防止了失速现象。
这些发现对未来航空业意义重大。气候变化使得天气条件越发不可预测且极端。在过去的四十年里，极端湍流事件的频率提升了 55%。为保障乘客安全，飞机需具备更强的抗扰能力，能够在复杂条件下灵活应对，并且要保持稳定性与安全性。
与此同时，空中交通量在持续增长。这使得探索提高飞机效率以及减少飞行碳排放的创新变得极为紧迫，不能仅仅依赖燃料的创新。被动式技术改进能够在无需依赖复杂电子系统的情况下，提供有效的解决办法。
然而，这类技术在商业化应用方面面临诸多挑战。许多受动物启发的技术也遭遇了类似的困境。比如，在 20 世纪 80 年代，科学家发现鲨鱼的体表覆盖着细小的突起，名为“微肋结构”，这种结构能够减少鲨鱼游动时的阻力。研究人员曾有这样的设想，要是把这一设计运用到飞机上，是否能够让燃油消耗显著降低呢？1997 年，研究进行了量化分析。结果表明，鲨鱼皮式的微肋结构能够减少飞机将近 10%的阻力。但是，一直到 2016 年，商用飞机的测试才正式启动。
德国航空技术公司 Lufthansa Technik 研发出了 AeroSHARK，这是一种源自鲨鱼皮肤的飞机表面技术。该公司的一位发言人表示：“当下，有 7 家航空公司的 25 架飞机已经应用了我们的鲨鱼皮技术，并且其数量还在不断增加。”她表示，这种创新的实现需要历经几十年的持续研究。同时，将新技术集成到现有的机队当中，并且在不干扰运营的情况下进行，依然是一个极为巨大的挑战。
维萨谈到如何规模化应用这些羽毛启发的襟翼时表示：我们遇到了一些工程实施方面的挑战。其一，要选择合适的材料来制造襟翼；其二，要解决如何将它们正确地固定到机翼上的问题。
但将这一创新应用于商业化的过程，不像在小型原型飞机上安装薄膜那般简单。蒙特利尔大学的航空工程师鲁克桑德拉·波泰兹指出：通常情况下，商业化的整合创新解决方案会很快变得复杂起来，并且需要跨学科的合作。飞机需要经历一系列的安全测试与认证，所耗费的时间可能会长达数年之久。她提到，大多数现代飞机是在原有基础上进行改进的。这种改进是逐步进行的。而且，制造商通常不愿意偏离现有的设计。
然而，伦丁克觉得仅仅把注意力集中在商业规模化上是错误的方向。他说：“要是只有那些明显具有可扩展性的创新才会被拿去测试，那么研究人员就没法跳出常规的框架。要是你想在航空航天领域实现真正的创新，就必须提出一些稀奇古怪、异想天开的构想。”他认为，过度关注最终的应用可能会对工程师创造新事物的能力造成限制。他补充说，目前这些羽毛启发的襟翼在实际应用方面可能还存在一定距离。他认为这并非是一种批评，而是研究人员正在开发关键的理念，这些理念有望随着技术的进展而朝着实际应用的方向迈进。
科学家们都认为，未来的飞机设计得继续从自然界获取灵感。鸟类的飞行能力比任何人类制造的飞行器都更具灵活性和机动性。赛德克讲：“要是我们期望创造出在不可预测条件下能高效且适应性强的飞机，就必然要把鸟类飞行的某些特征融合到下一代设计里。”
维萨认为，即便这些创新无法应用于大型商用飞机，也可能给小型飞机带来颠覆性的改变。未来的小型飞机，尤其是在包裹递送或城市空中出行等领域，会起到越来越重要的作用。初创公司正在关注像飞行出租车这样的服务，而在这些飞机于狭小空间起降时，襟翼设计能够极大地提升升力和控制能力。
维萨进行了解释，他说飞机的尺寸如果越小，就越容易受到阵风、强风以及湍流等环境因素的影响。未来那些小型的飞行器，如果装备了这些襟翼，或许就能够应对那些原本会把飞机抛离天空的阵风。
