日本科學家揭曉貓頭鷹無聲飛行的秘密

在夜幕低垂的樹梢間，捉摸貓頭鷹的蹤跡無疑是一項考驗耐心與技巧的工作。黑暗中，我們的目光幾乎束手無策，唯有耳邊偶爾傳來的一聲聲鳴叫，才能揭示這些翱翔的幽靈正悄無聲息地掠過頭頂。這種獨特的無聲飛行技巧，長久以來讓科學家們津津樂道，直到最近，日本的研究人員才破解了這項謎題。

儘管人造飛行器能夠在稀薄的高層大氣中高速移動，但其所伴隨的巨大噪音卻是一大挑戰。特別是超音速飛機，其發出的聲浪甚至超過了人耳所能承受的範圍，因而在陸地上空飛行被一致禁止，這不僅限制了民用超音速運輸，也激勵了NASA透過X-59計劃來探尋降低飛機噪音的新途徑。

貓頭鷹之所以能夠如此靜音地飛行，先前的研究認為是其翅膀羽毛上的微小條紋，特別是後緣（Trailing Edge, TE）羽毛起了關鍵作用。這些如同流蘇般的微結構能有效壓制拍動翅膀時產生的噪音，但其精確的運作方式一直是個謎。

翼尖羽緣降低翅膀噪音

千葉大學空中智能載具研究中心的劉浩帶領一個研究團隊，運用生物力學、仿生學和生物啟發在他們的研究工作中。該團隊從自然界中學習，以開發節能和資源節約的產品。他們以貓頭鷹作為無聲飛行的模型。

多個研究小組已經研究了貓頭鷹的飛行，並認為其幾乎無聲音是由於翅膀上的微小羽緣造成的。這些翼尖羽緣被發現在抑制拍打翅膀產生的噪音中，起著關鍵作用。其他研究人員嘗試使用板條和翼型來評估這些羽緣，但它們的確切作用機制仍然未知。

為了研究貓頭鷹的翅膀，研究小組創建了兩個3D的真實梟翅模型。其中一個模型有翼尖羽緣，另一個則沒有。兩個模型都被用於以貓頭鷹滑翔飛行接近速度進行的流體流動模擬。模擬確認翼尖羽緣降低了翅膀產生的噪音，同時也有助於維持空氣動力性能，就像沒有羽緣的翅膀一樣。這通過兩種互補機制實現。

在第一種機制中，翼尖羽緣通過打散翼尖漩渦來減少氣流波動。它們還通過減少翼尖處羽毛間的流動相互作用，抑制了翼尖漩渦的脫落。綜合來看，這些機制提高了翼尖羽緣的效果，不僅改善了空氣動力性能，也達到了降噪效果。

劉浩說：「我們的發現展示了翼尖羽緣和各種翅膀特徵之間的複雜相互作用的效果，凸顯了在實際應用中使用這些羽緣降低噪音的合理性，如無人機、風力發電機、螺旋槳，甚至是飛行汽車。」

現在研究人員已經確切知道翼尖羽緣是如何工作的，他們可以使用仿生學來開發低噪音流體機械。

這項研究成果發表在《仿生學與生物啟發》期刊上。

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首圖來源：Getty Images　cc By4.0

參考論文：

1.Trailing-edge fringes enable robust aerodynamic force production and noise suppression in an owl wing modelBioinspiration & Biomimetics