Controlling Flapping Flight | Itai Cohen | TEDxCornellUniversity

[Аплодисменты]
это Drosophila melanogaster не
они красивые, я вижу некоторый скептицизм
ну, может быть, это требует соединения матери
глаз , но эти животные на самом деле
впечатляющий и чтобы помочь нам начать
о том, почему я думаю, что эти животные так
круто я хочу сделать простое управление
проблема для вас, я постараюсь сбалансировать
этот метр палка на кончике моего пальца
Теперь идея состоит в том, что ручка метра
будет вращаться, и моя рука должна
настроить себя достаточно быстро, чтобы я мог
поймать его, прежде чем он падает это
проблема, которую большинство из нас может сделать, но однажды
мы начинаем сокращать метр метр как
например, если я пытаюсь сбалансировать ручку на
мой палец тогда мы уже делаем
то, что практически невозможно
для большинства людей, и причина в том,
что время, которое требуется для ручки
вращаться сжимается с размером
возражать, так что к тому времени я получаю что-то
это в 10 раз меньше, чем метр
придерживаться упс, да эта вещь, это просто
очень трудно сделать сейчас насекомых, как
Дрозофилы по своей природе нестабильны
они взлетают при условии
аэродинамические неустойчивости и время
шкала этих нестабильностей также
связано с их ростом и потому
Дрозофилы всего один миллиметр
они должны выполнять этот вид
балансирование в сто раз быстрее
чем это заняло бы у меня
сбалансировать эту ручку довольно удивительно в моем
лаборатория мы снимаем фильмы этих животных
выполняя их полет, а затем то, что мы
мы реконструируем их
трехмерные движения от
изображения, которые мы снимаем и первый
вещь, которую я хочу, чтобы вы заметили, это
красивы эти насекомые движутся
их крылья в виде восьмерки
ход назад и вперед, и мои ученики
смотреть на это каждый день
когда они идут в лабораторию
поэтому, будучи в состоянии захватить эти
маневры мы можем что-то сказать
о том, как эти насекомые контролируют
аэродинамические силы они получают их
делать то, что они делают для
Например, мы могли бы начать тестировать некоторые из
основные идеи, которые люди положили
вперед, например, если вы берете
Листовки природы и откройте его, вы видите,
что способ, которым предполагаются насекомые
производить прямую тягу , принимая
их удар крыла наклоняя его так, чтобы
некоторые из подъемных сил, которые они
используя, чтобы держать их в воздухе перенаправлены
в прямом направлении, но когда мы
взглянул на нашу дрозофилу мы видели
что да, они делают это некоторые из
время , но много времени они делают
что-то вроде этого, где они
сохраняя свои удары крыла полностью
горизонтальный и все же они все еще в состоянии
произвести толчок вперед, что происходит
хорошо, если вы посмотрите на муху, это
зависание против мухи, которая движется быстро
оба этих удара крыла выглядят довольно
примерно так же у них есть эта цифра
форма восьми крыльев и когда вы начинаете
посмотрите на самые детали этого крыла
удары вы видите, что есть небольшое
различия, но они вроде тонкие
так, например, верхняя кривая показывает вам
этот ход мухи идет от нуля до
180 , как крыло движется назад и вперед
средняя кривая имеет угол отклонения
крыло и оно идет впереди и
в спине , и именно поэтому он имеет два
пики один спереди и один в
середина, а затем последняя кривая
рассказываю о высоте крыла
и этот шаг идет от 0 до 180
градусы и что это говорит о том, что муха
движется вперед под углом 45
градусов, то он переворачивает свое крыло и движется
назад под углом 135 и в каждом из
в этих случаях есть тонкие различия
между синим и красным кривыми
в соответствии с парящей мухой и
быстро движущаяся муха, какая из этих
различия важны хорошо, чтобы попытаться
ответьте, что мы запустили кучу
моделирования и что приятно, что если
вы запускаете все красные кривые
быстрые удары крыла мухи на
Моделирование вы можете получить муху, которая движется
за
но прекрасная вещь о
моделирование в том, что теперь мы можем смешивать и
соответствовать так, например, если мы возьмем все
синие изгибы от парящей мухи мы
может генерировать муху, которая нравится
эксперимент движется очень очень медленно на
С другой стороны, если мы возьмем все красные кривые
мы можем создать муху, которая движется быстро
смешивая и сопоставляя, я могу начать
скажи, какие из них важны
так, например, в самом левом здесь я
показывая вам муху, где мы взяли
Кривая хода от зависания летать
кривая отклонения от быстро движущейся мухи
и кривой основной тон от медленного
летать красным извините синий красный и синий, и это
муха движется точно так же
скорость, как будто она просто зависла
так что красная кривая ничего не дала
что вперед тяги с другой стороны, как
Пока мы взяли это кривая основного тона
от быстро движущейся мухи всех тех
в конечном итоге быстро двигаться вперед
направление на самом деле вы можете взять все
кривые из тихоходной лета и
до тех пор, пока вы измените уменьшение высоты тона
это единообразно вы можете генерировать
быстро движущаяся муха, что происходит, что
происходит с этим шагом хорошо помню
шаг — это ориентация крыла
это как угол атаки
и если я возьму этот симметричный ход крыла
и я равномерно меняю высоту звука так, чтобы
это ниже, чем муха заканчивается нарезка
по воздуху на пути вперед и
разбиваясь по воздуху на обратном пути и
так что это эффективно плавание через
воздух эти мухи не просто используют их
поднять силы, они используют свое сопротивление
заставляет плыть вперёд однажды
у вас есть прямой рейс, теперь вы знаете, как
повернуть направо, потому что поворот просто
прямой полет с одним крылом, а затем
двигаясь назад с другим, вы можете
на самом деле продемонстрировать это так повезло
ты принес мои крылья со мной так
здесь у меня есть свои крылья, я даже нарисовал их
надлежащим образом
и что я, что у меня есть, это
поворотная платформа без трения, если так долго
как я не убиваю себя, попадая на вершину
все в порядке, мы идем
все в порядке, если я возьму свои крылья и я
лоскут симметрично ничего не происходит
хотя вы можете чувствовать воздух все
путь прямо там хорошо, но теперь, если я
срезать воздух с этим крылом и
разбить с этим, то я могу получить
сам повернуть налево, и если я сделаю это
Другой способ попрактиковаться, то я могу
повернуть в другую сторону спасибо
[Аплодисменты]
Теперь, почему использовать силы сопротивления оказывается
что любой , кто застрял их руку
двигающийся автомобиль знает , подъемные заставить
величина силы в перпендикуляре
Направление к вашей скорости имеет максимум
когда ваша рука находится под углом 45 градусов
вправо так, это ноль ноль здесь максимум и
затем он возвращается к нулю, но сопротивление
силы возрастают линейно, как вы идете
через что они всегда увеличивают это
означает, что если я буду держать руку на 45
градусы и я просто изменили его немного
немного, что не очень много делает для
подъемная сила она держит его в основном
то же самое, но сила сопротивления изменилась
много и поэтому эти насекомые, применяя
очень тонкие манипуляции с их крылом
удары могут манипулировать их
силы сопротивления и не влияют на подъемную силу
силы, которые держат их и
это просто прекрасная стратегия сейчас
эта идея дифференциального сопротивления имеет
долгая и выдающаяся история, поэтому
Братья Райт занимались этой проблемой
теперь все знают, что Райт
братья не изобрели первый
самолет много людей летают
перед эфиром перед Райтом
братья знают, что братья Райт
сделал они изобрели первый
управляемый самолет, что было
проблема
ну самолеты не такие как ты
не могу просто использовать руль, чтобы управлять ими
самолеты подлежат крену
нестабильности и способ, которым пилоты
имел дело с этим было то, что они
будет сидеть в середине, и когда
самолет начнет катиться к
Право пилот будет двигаться немного
налево
и когда самолет начнет
поверните налево, пилот переместит
немного вправо и, как вы можете
представьте, что это очень плохая стратегия и
многие люди погибли, используя этот подход
нет, но братья Райт сделали, они
заметил, что если они деформируют крылья
самолет они могут менять углы
нападения и что позволит им
исправить эти нестабильности ролл так
когда самолет катится направо вы
изменить угол атаки справа
сторона, которая создает большую подъемную силу, но это
также создает сопротивление, что было проблемой
и вот, что они сделали, они выяснили это
они соединили это искривление крыла с
руль, который позволил самолету
сохранить свой курс теперь
Братья Райт были превосходными инженерами
они получили формы пропеллера — что-то
как 90% их современного дня
эффективность, поэтому я думаю, что они будут
был действительно впечатлен тем,
что насекомые выяснили много
более умные и элегантное решение
используя дифференциальное перетаскивание в порядке управления
эти самолеты были Уилбур правильно, что
контролировать полет этих насекомых
как они решают, что делать в любом
конкретный момент, чтобы попытаться обратиться
эта проблема у меня была действительно творческая
студент, и он заметил, что если вы берете
одна из этих кистей от Гордона
кисть компании, и вы берете вырезку из
одна из этих щетин тех вырезок
в конечном итоге магнит, и поэтому он взял
этот маленький вырез, и он приклеил его
задняя часть мухи вы видите муху
все еще взмахивая крыльями нет проблем и
Затем он кладет его в наш аппарат, который мы
наши три видеокамеры записи
муха в быстром движении у нас тогда есть
лазерный триггер, который говорит камерам
пошел записывать но когда там летает
мы также запускаем пару электромагнитов
так что эксперимент следующий
муха приходит мы запускаем камеры
запись , которую мы одновременно применить
магнитное поле магнит на лету
спина начинает вращаться, чтобы выровнять
магнитное поле, и это дает мухе
в воздухе
возмущение, а затем мы видим, что
происходит это первое видео , которое мы
взял с этим вы можете увидеть иглу
просто высунув муху назад вправо
где-то здесь мы применяем магнитный импульс
только один удар крыла, а затем
насекомое делает то, что делает, и удивительно
вещь об этом фильме в том, что если вы
взглянуть на ориентировки
насекомое до и после
это почти точно так же, эти мухи
есть автопилот на борту
что позволяет им исправить
Нарушения в воздухе вот 3d-версия
мухи, претерпевающей возмущение поля
в этом случае, что делает муха это
меняет, насколько далеко он подметает
крылья
если муха наклонена вперед, она должна
взмахнуть крыльями больше впереди, что
создает крутящий момент от подъемных сил
который вращает его обратно, если летит
разбил это просто крылья меньше
далеко вперед и крутящий момент со спины
часть вращается вперед, и они
постоянно делать это, чтобы поддерживать
их полет сейчас реальный вопрос
какой рецепт как они узнают
именно тогда, когда положить свои крылья в
как далеко вперед, чтобы поставить их это
является графиком угла прямой развертки как
функция времени и того, что мы сделали
это мы измерили положение крыла в
самый фронт в каждом крыле
инсульт, где он получает этот рецепт так
Я не хочу, чтобы вы прошли через все
теория управления, которую мы должны были сделать, чтобы
понять эти проблемы, но я хочу
если я возьму
скорость скорость тангажа
тело мухи там, и если я сейчас добавлю
к нему общий угол, который имеет муха
повернул именно эту кривую, если я
сложите эти две кривые и сложите
их я получаю эту синюю кривую, которая идет
прямо через данные, так что я
говорю вам, что мухи
измеряя их скорость тангажа они
интегрируя это для того, чтобы получить
Всего
угловое смещение, что они переехали
через, чтобы они знали исчисление, а затем
они суммируют эти два сигнала с
соответствующие коэффициенты и отправьте их
в маленькие рулевые мышцы, которые
направляют свои крылья, чтобы сделать
Вперед коррекция удара поразительна
это также работает для крена и рыскания в
рулон мы клеим магнит в сторону, и мы
Наклоните насекомых, и они должны хлопать
труднее с нижним крылом для y’all
они должны сделать что-то вроде того, что я
показал вам на этом маленьком постаменте вы
должны изменить углы атаки в
Для того, чтобы переориентироваться во всех
эти случаи эти эти мухи используют
то, что называется пропорциональным интегралом
контроллер и воздействуя на разные
степеней свободы они способны
по существу исправить их позу в
миллисекунды они являются одними из
самые быстрые ответы в животном мире
это такая схема, что
Теоретик управления будет рисовать для ИП
контроллер идея в том, что вы начинаете
с крутящими моментами в верхнем левом углу, а затем
эти крутящие моменты должны быть измерены
Мухи гироскопической системы под названием зал
слезы да
у них есть гироскопы на спине с
немного нейронной задержки они тогда
должны рассчитать пропорциональный член
и интеграл этого интеграла
термин, который каким-то образом отправляется в
рулевые мышцы, которые затем влияют на
крутящий момент и цикл продолжается, и это
тип контроллера это то, что вы бы в
сложный круиз-контроль в вашем
автомобиль или термометр, который вы могли бы быть
установка для установки температуры в комнате
теперь я знаю, что вы думаете, это
очень надуманные эксперименты летают в
у природы нет склеенных магнитов
к их спине это я слушаю
быстрый ответ управления действительно
биологически релевантный колодец, чтобы помочь
ответь на этот вопрос я хочу показать тебе
это видео
так что это видео, которое я знаю, что мы в Новом
Йорк да, по крайней мере, в северной части штата Нью-Йорк
мух определенно испытывают эти виды
вещей в природе сейчас другая вещь
это интересно об этом корректирующем
маневр , что ни в одном из это
летать, используя свой мозг, муха делает все
из этих исправлений с нейронным
схема, которая находится на его спине и
откуда я знаю, что знаю, что из этого
видео так вот видео мухи с
выкл, и он может контролировать свой полет
нет проблем, поэтому он может справиться со всеми этими
возмущения в воздухе, но интересный
Дело в том, что эти видео
у мух нет головы их голова была
отрезать ау давай
ты слышал себя в начале
эти головы были отрезаны и их
шеи были прижжены, и все же они
все еще может летать, как получается, что они
в состоянии сделать это, как говорит Джим Трумэн
голова переоценена у этих мух
то, что называется вибрационные гироскопы
на спине у всех двукрылых
четыре крыла, но задние два крыла стали
короткие и бородатые мелочи
остановить уши есть они , и это
как они выглядят, когда они
взмахивая, чтобы идти вперед и назад, как
маленькие палочки и когда муха вращается
они остались позади, и есть
маленькие нервы на дне остановки
уши на то, что называется лагерь и форма
тот смысл, когда уши остановки
отклоняется, а затем эта информация получает
отправлено через нейронную цепь в
задняя часть мухи к рулевым мышцам
там потом контролировать крыла этого
Следующее видео показывает вам рентген
данные томографии этих рулевого управления
мышцы, так что вы видите здесь , это
томографическое изображение мухи внутри
его грудная клетка
эти крутые мышцы прохладного цвета
мышцы четыре из двенадцати
управляющие мышцы, которые муха использует в
чтобы исправить свой рейс и один из
эти мышцы, в частности, были
считается очень важным это называется
базальная или одна мышца мышца b1
и считается, что это тот, который
контролирует, как далеко вперед идут крылья
хорошо, что было бы важно для подачи
и поэтому удивительная вещь в том, что
в настоящее время мы можем пойти в Говард Хьюз
Медицинский институт и мы можем по существу
порядок летит, где этот отдельный нейрон
был идентифицирован, и мы можем повернуть его
от этого одного нейрона мы можем выключить его
и это молчание в том, что одна мышца и
тогда мы можем увидеть, есть ли какие-либо
разница происходит, когда мы берем это
мышцы , поэтому здесь мы идем вот
летит это нормальная муха у него есть
осанка мы даем ему возмущение и
он способен исправить свое возмущение
это ориентация по высоте во времени, если мы
взгляните на движение вперед
крыло это очень хорошо подходит нашим PI
контроллер все как было
до того, как это муха b1 с глушителем я
вытащил эту мышцу эти мухи начинают
довольно шатко, чтобы начать с того
после того, как мы применяем возмущение, они
в состоянии замедлить возмущение, но
теперь они колеблются о другом
угол они больше не могут вспомнить, что
угол, с которого они первоначально летели
и когда мы посмотрим на
контроллер мы все еще можем соответствовать вперед
размах крыльев, но теперь мы можем только
использовать пропорциональный контроллер, который мы взяли
из интегрального термина, что одна мышца
контролировал одну ветвь этого контроля
Теоретическая диаграмма, если вы берете его
вынуть эту ветку сейчас вещи не
так просто вот видеоконтроль
муха проходит тройную спираль четырехместный
перевернутый с поворотом думаю первым
и заметить, что эта муха
тем не менее все еще в состоянии исправить
сам в течение одного двух трех крыльев
Теперь обратите внимание, что это не обернулось
восемь раз, чтобы исправить себя
и это означает, что этот простой линейный
контроллер не может быть всей картиной
должно быть что-то еще управляющее
эта схема, но это начало
и в настоящее время мы можем пойти и попытаться
заставить замолчать отдельные нейроны в этом
схема управления, которая связывается
между вибрационными гироскопами на
назад Мухи все расчеты
происходит в вентральном нервном канате
муха и рулевые мышцы, которые
влияют на его полет вы хотите
вопрос, который вы могли бы задать, является ли или нет
нужна вся эта техника какая
случается, если мы просто вынимаем их
гироскопы мы можем сделать это с помощью склеивани
остановить ухо на лету, и когда мы делаем это
эти животные все еще могут хлопать, но они
больше не может контролировать свой полет и
это потому, что любой маленький
возмущение, которое требует этих маленьких
корректировки они не могут измерить их и
поэтому они не знают, как настроить
их остановка уши, но если мы как-то замедлили
процесс вниз , может быть , мы могли бы получить некоторые
другой орган , чтобы быть в состоянии сказать , что
происходит, как вы делаете, что вы берете
семя одуванчика вы раздавите его вы берете
некоторые волокна из этого семени, и вы склеиваете
это в муху идею
что эти перья замедлят
вращение вниз настолько, что некоторые другие
орган сможет сказать, что происходит
на это работает, это так вот
мухи, у которых остановились уши
приклеены вниз , и все же они могут по- прежнему
поддерживать свой полет на самом деле они
животные, которые уже используют эту стратегию
это шерстистая тля, вы можете найти ее
здесь, в Итака
и у него есть все эти крошечные волоски
отрываясь от него
ему не нужно останавливать уши, чтобы контролировать его
полет так зачем развивать остановку ушей в
первое место хорошо так же , как
пассажирский самолет авиакомпании стабилен, но не
очень маневренные тли
стабильны, но они не могут маневрировать очень
так быстро, если вы потеряли эти маленькие крошечные
струны и вы развили чувство
орган чувств, как весь уровень вы бы
стать гораздо более маневренным и что
позволит вам стать лучше
хищник, и это позволит вам также
уклоняться от хищничества от других больших
животные, поэтому позвольте мне оставить вас с этим
изображение простой плодовой мухи на вершине
патент братьев Райт и
указать, что 350 миллионов лет назад
прежде чем насекомые поднимаются в воздух
нет деревьев нет цветов все растения
менее 3 метров, так что
способность насекомых подниматься в воздух
и в конечном итоге контролировать свой полет
огромное влияние на экологию этого
планета
это Россано Меланогастер не они
красивая спасибо
[Аплодисменты]