資訊科技

演算法算出最佳翅膀

透過模擬演化,尋找理想的翅形。

撰文/克勞威爾(Rachel Crowell)
翻譯/姚若潔

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演算法算出最佳翅膀

透過模擬演化,尋找理想的翅形。

撰文/克勞威爾(Rachel Crowell)
翻譯/姚若潔


長久以來,人類從鳥類翅膀汲取靈感,並設計出機械翅膀。現在有一組數學家團隊把這種仿生學提升到新境界。他們利用3D列印來製造不同翅形,在實驗室裡競速,再把數據輸入模擬演化的演算法。研究人員發現,不論是振翅飛翔或水中游泳,水滴形的翅膀都能展現最快速度。


美國紐約大學庫朗數學科學研究所數學家、這篇論文的資深作者里斯托夫(Leif Ristroph)說,本研究是首次透過這種複合式的實驗過程,來尋找快速飛行的最佳翅形。


里斯托夫說,水滴形具有一些特性,讓它從各種形式中脫穎而出,成為最佳翅形;其中一個特性是(從側面觀看時)前後不對稱,外形是前側呈現圓形且厚度最大,後端則細薄延伸。有如刀片般的鋒利後緣和鳥翅很像,鳥翅的後緣往往薄到只有單層羽毛的厚度。研究人員在論文中提到,這項發現表示鳥翅已經演化成極為細薄。這篇論文發表於今年1月的《倫敦皇家學會會報A》。


里斯托夫和他的合作者利用3D列印,製作了10個「第一代」塑膠翅膀。他們把每對翅膀接到馬達驅動的水平桿子上,讓它們在水中上下擺動。研究人員測量這些翅膀的泳速,再外推飛行速度。里斯托夫說,他們測試了許多形狀,包括根據傳統機翼製作的翅膀形狀、壓扁的球形,還有一個像是花生形狀的結構。


研究人員把不同翅膀的速度數據輸入演化演算法,產生八種第二代的「子代」翅形;速度較快的翅形有更大的機會進入下一代繼續競爭,但這個演算法也容許「突變」,產生新的形狀。第一代中最快的兩種翅膀也加入第二代,然後依據第二代的10種翅形,再次進行3D列印和實驗室競速。研究人員總共製造出15代翅膀。最快的水滴形翅膀在第11代時誕生,並在後續世代中持續勝出。而演算法試圖在後續世代中改進的形狀太薄,已超過3D列印所能製造的極限。


沒有參與這項研究的南加州大學航太工程學家斯佩丁(Geoffrey Spedding)評論,這項研究「非常有趣」。他指出,最佳化的翅膀「更像魚鰭」,更適於游泳或把物體往前推進,而非產生飛機飛行所需的升力。