Collaborative Research: Investigating aerial maneuvers in bat flight using experiments, mathematical modeling, and robotic mimicry

合作研究:利用实验、数学建模和机器人模仿研究蝙蝠飞行中的空中机动

基本信息

项目摘要

Bats are known for their aerial acrobatics skills that enable them to maneuver in dense vegetation, to catch preys, and find nutrients. Accomplishing these multitude of functions requires the bats to control, adapt, and coordinate their wing motions, body posture, and internal actions that they engage in while airborne. This project seeks to understand how bats master the integration of kinematics, aerodynamics, and control in such complex aerial behaviors. This would shed light on underlying fluid dynamics and kinematic controls in biology, and also impact the ability for engineers to replicate such abilities in technical systems in the next-generation multiple-functioning drones with flapping flight. The goal of the project is to understand aerial multi-tasking by bats based on comprehensive experiments and mathematical models. The project will obtain experimental data from two different approaches: The morphing wing kinematics of the bats during demanding flight maneuvers and behavioral multi-tasking situations will be recorded with an array of synchronized high-speed cameras and processed with deep learning methods. These biological data will be complemented by experiments with a biomimetic robotic system that will be implemented to mimic the bats' morphing wings and will be used to explore a larger parameter spaces than would be possible with observations of the animals. This will provide insights into the effects of different kinematic patterns. In parallel, mathematical models of flapping flight will be developed to extract the key physics in the sophisticated maneuvers seen the in the experiments. The simulation of flapping flight will further elucidate the trade-off between the energetics and stability of flight. Throughout the project, we will actively disseminate our findings to educate K-12 students and the general public. Since the bat experiments will be performed at the University of Brunei, the project will give participating undergraduate and graduate students unique exposure to the outstanding biodiversity of Borneo's rainforests.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
蝙蝠以其空中杂技技巧而闻名,使它们能够在茂密的植被中操纵,捕捉猎物并找到营养。完成这些众多功能需要蝙蝠控制,适应和协调其机翼运动,身体姿势和内部动作,并在空中运气时所做的内部动作。该项目旨在了解蝙蝠如何掌握这种复杂的空中行为中运动学,空气动力学和控制的整合。 这将阐明生物学中潜在的流体动力学和运动学控制,并影响工程师在下一代多功能无人机中复制技术系统中此类能力的能力。该项目的目的是根据综合实验和数学模型来了解蝙蝠的空中多任务处理。该项目将从两种不同的方法中获取实验数据:在苛刻的飞行操作期间,蝙蝠的变形机翼运动学和行为多任务情况将通过一系列同步的高速相机记录,并使用深度学习方法进行处理。这些生物学数据将通过使用仿生机器人系统实现的实验来补充,该实验将被实施以模仿蝙蝠的变形翅膀,并将用于探索比对动物观察的更大的参数空间。这将提供对不同运动学模式的影响的见解。同时,将开发出拍打飞行的数学模型,以在实验中看到的复杂操作中提取关键物理。拍打飞行的模拟将进一步阐明飞行能量和稳定性之间的权衡。在整个项目中,我们将积极传播我们的发现,以教育K-12学生和公众。由于BAT实验将在文莱大学进行,因此该项目将使参与的本科生和研究生独特地接触婆罗洲的雨林的出色生物多样性。该奖项反映了NSF的法定任务,并认为通过使用该基金会的知识和更广泛的影响来评估Criteria的评估。

项目成果

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