The explanatory power of the lift equation in the wingbeat kinematics, motor control, and evolution of animal flight
升力方程在翅膀运动学、运动控制和动物飞行进化中的解释力
基本信息
- 批准号:RGPIN-2016-05381
- 负责人:
- 金额:$ 2.99万
- 依托单位:
- 依托单位国家:加拿大
- 项目类别:Discovery Grants Program - Individual
- 财政年份:2019
- 资助国家:加拿大
- 起止时间:2019-01-01 至 2020-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
The ultimate goal of my research program is to answer two intertwined questions: 1) How do birds incorporate sensory information from the head, body, and wings, and generate motor commands for controlling the flapping motion and dynamic shape of wings in response to aerodynamic challenges? 2) How do mechanisms of flight control shape the evolution of flight and diversity of flight performance in birds? Flying birds must modulate and balance force with extreme precision to perform different behaviours, but how birds do this is not well understood. Aerodynamic force is determined by air density (), wing velocity (V), wing size (specifically area A), and a force coefficient (CF) that accounts for the wing's shape and presentation as it encounters the oncoming air. Total force is equal to ½V2ACF, and this simple equation is broadly applicable in fluid mechanics. Previous studies of how animals modulate force considered only individual components of the force equation, but, through recent advances, we can now apply more challenging methods to examine these elements in concert. The force equation can be divided into two fundamental strategies for force generation: modulation of wing velocity (V), and morphing of wing size and shape (A and CF). My research group, one of the leading laboratories in avian flight, has recently proposed that this physical division of the force equation is reflected at multiple levels of avian flight control including anatomy, muscle physiology, and wingbeat kinematics. Our ultimate hypothesis is that the physiological and biomechanical mechanisms for modulating force through wing velocity and morphing determine individual performance and shape the evolution of major avian clades. The goal of this Discovery Grant application is to determine how birds simultaneously control wing velocity and wing morphing to modulate force production. We will investigate the representation of the force equation at three levels of biological organisation: 1) Evolutionary comparisons of force modulation in hovering hummingbirds. 2) Inter- and intra-specific trade-offs in wing velocity and wing morphing for modulating aerodynamic forces. 3) Neuromuscular control of wing velocity and wing morphing. This research will add significantly to our understanding of how flying animals modulate aerodynamic force. This approach will transform the field of animal flight by revealing how the aerodynamic force equation is expressed at multiple levels of biological organisation. This integrative research makes use of diverse approaches, and will provide a range of training opportunities for HQP. The discoveries have the potential to alter textbook understanding of muscle physiology, animal flight mechanics, and ornithology, and will also provide a guidepost for bioinspired engineering of aircraft and in robotics.
我的研究计划的最终目标是回答两个相互交织的问题:1)鸟类如何整合来自头部、身体和翅膀的感官信息,并产生运动命令来控制翅膀的拍打运动和动态形状,以应对空气动力学挑战?2)飞行控制机制如何塑造鸟类飞行的进化和飞行表现的多样性?飞行的鸟类必须极其精确地调节和平衡力量以执行不同的行为,但鸟类如何做到这一点还不清楚。空气动力由空气密度()、机翼速度(V)、机翼尺寸(特别是面积A)和力系数(CF)决定,力系数(CF)决定机翼遇到迎面而来的空气时的形状和外观。总力等于½V2ACF,这个简单的方程在流体力学中广泛适用。以前关于动物如何调节力的研究只考虑了力方程的各个组成部分,但是,通过最近的进展,我们现在可以应用更具挑战性的方法来研究这些元素。力方程可以分为两种基本的力生成策略:机翼速度的调制(V)和机翼尺寸和形状的变形(A和CF)。我的研究小组是鸟类飞行领域的领先实验室之一,最近提出,这种力方程的物理划分反映在鸟类飞行控制的多个层面上,包括解剖学、肌肉生理学和翼拍运动学。我们的最终假设是,通过翅膀速度和变形调节力的生理和生物力学机制决定了个体的表现,并塑造了主要鸟类分支的进化。这项发现补助金申请的目标是确定鸟类如何同时控制翅膀速度和翅膀变形来调节力的产生。我们将研究力方程在生物组织的三个层次上的表现:1)盘旋蜂鸟中力调制的进化比较。2)调整气动力的机翼速度和机翼变形的种间和种内折衷。3)翅膀速度和翅膀变形的神经肌肉控制。这项研究将大大增加我们对飞行动物如何调节空气动力的理解。这种方法将通过揭示空气动力方程如何在生物组织的多个层次上表达来改变动物飞行领域。这种综合研究利用了多种方法,并将为HQP提供一系列培训机会。这些发现有可能改变教科书对肌肉生理学、动物飞行力学和鸟类学的理解,也将为飞机和机器人的生物启发工程提供指导。
项目成果
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