“天空中不留下鸟的痕迹，但我已飞过”，泰戈尔在诗中写道。但在真实的世界里，飞鸟的身后并不是了无痕迹，而是会留下它对空气扰动产生的涡。通过对这些涡的定量分析，可以得到鸟的飞行动力学特性。

东莞理工学院宋加雷博士，便是在观察动物飞行场景中，研究其机理，来设计更高效、更敏捷的新一代飞行器。2020年2月，宋加雷参与开发的粒子追踪测速技术（Particle Tracking Velocimetry），成功实现了对飞行中三种猛禽（苍鹄，灰林鹄及苍鹰）流场定量测量，被《自然》杂志媒体频道专题报道。Altmetric评价其影响力位列全球同期发表所有研究的top1%。

科学家介绍

宋加雷，博士，东莞理工学院机械工程学院教师，科技创新研究院机器人与智能装备中心团队成员，主要研究方向为生物运动（特别是流体相关领域）的推进机理研究和仿生设计。本科就读于中国科技大学由钱学森创立的近代力学系，毕业后到美国范德堡大学学校，用四年半时间拿到机械工程博士学位。其后，在香港中文大学、英国伦敦大学皇家兽医学院做研究工作。

从形似到神似的仿生演变

鹰击长空，鱼翔浅底。

“动物经过上亿年的演化，已经进化出卓越的运动技能，通过研究它们的运动，我们可以学习运动形态，提高能量利用的效率或实现有效的运动” ，宋加雷博士说。这些研究成果，对于高效敏捷的微型飞行器、具有隐身效果的水下机器鱼等的设计，均具有重要参考价值。“同时，人类不宜盲目地复制运动和形态，还要摸清细节的机理，让仿生从形似像神似演变。”宋加雷补充道。

从蜂鸟飞行的升力产生机制的探究、鱼类游动的动力学和机器鱼的优化设计、到猛禽飞行的空气动力学，宋加雷的仿生研究是一个交叉学科的研究，包含力学、生物、计算机和机械设计等，采用的技术涉及高性能计算机模拟，流场显示技术和高速摄影技术等。

耕耘多年，宋加雷的研究成果被国际同行广泛认可：他在国际上第一次建立了蜂鸟飞行的高精度CFD仿真模型，详细讨论了蜂鸟飞行中的升力产生的复杂机理，并被国际著名科技杂志《连线》和主流媒体《华盛顿邮报》等报道；他与英国伦敦大学皇家兽医学院合作的研究，率先使用粒子追踪的方法，结合高精度的高速摄影术和CFD仿真，得到猛禽身后的流场的旋涡结构与三维速度，并被《自然》杂志视频报道；因在仿生飞行空气动力学方面的研究成果，近期，宋加雷被美国国家航空博物馆遴选为典型人物，在博物馆2025主题展览“How things fly”中展出。

《自然》杂志报道画面截图，追踪研究猛禽飞行空气中悬浮的氦气气泡

首次详细揭示蜂鸟飞行的动力学机制

蜂鸟飞行的研究是宋博士最有兴趣的研究之一。

蜂鸟被称为“飞行的珍珠”，飞行时翅膀每分钟能拍动1000多次，可以在空中悬停，也可以快速前飞，后飞，甚至翻转身体飞行。蜂鸟卓越的飞行能力引起了生物学者与工程师的兴趣，试图精确探测它的飞行机理。

但怎样得到蜂鸟飞行时高精度的空气动力学结果呢？由于蜂鸟体型太小，很难在翅膀上装探测仪器而不影响它飞行，所以需要高性能数值模拟的方法（CFD）来获取结果。

首先要得到蜂鸟精确的运动形态。蜂鸟不听人指挥，“但蜂鸟是个‘吃货’，”宋加雷笑着说，“我们在实验室的测量区域做了一个装置来放花蜜、蜂糖等食物，蜂鸟就会稳定地悬停在那里采食，我们就可以通过高速摄像机来拍下它的运动细节了。”

“对于向前飞行的研究，那我们再造一个风洞环境吹风，蜂鸟会固定在风洞里花蜜的地方，这样模拟出来的也是蜂鸟前飞的运动形态。”

通过高保真度的运动细节捕捉和高性能计算机的CFD模拟，宋加雷的研究揭示了蜂鸟飞行中的多种升力产生机理。  

此外，他们还发现，蜂鸟在前后拍翼的过程中，有一个利用惯性省力的精妙机理：翅膀来回翻转，但是这个翻转动作完全是被动的，即不需要用肌肉来推动。“这个就有点像人走路时手臂的被动摆动，没听说过哪个人走路太多手臂给摆累了。” 宋加雷说。

因此，在仿蜂鸟或昆虫拍翼飞行器的设计中，可以应用这个惯性驱动、被动运动的机制，简化飞行器的结构设计和电机驱动。现在，宋加雷与美国宾州州立大学的同行正在合作研究，希望设计出与蜂鸟飞行特点相似的拍翼飞行器。

研究猛禽飞行，成果获空客公司关注

时间倒回几年前，就连宋加雷自己也没想到，一个力学和机械工程背景的人竟然会到兽医学院学习工作。2018年，宋博士加入了英国伦敦大学皇家兽医学院开展博士后研究工作。在此期间，他开始参与探究猛禽的飞行机理的科研项目，这是美国空军和欧洲研究理事会的联合的项目，旨在为下一代仿生飞行器和变形翼飞行器的研究打下理论基础。

与蜂鸟不同，猛禽的研究更具有挑战性。蜂鸟体积小、翅膀薄，翅膀模型可以简化成一个薄膜而不影响空气动力学的分析；而猛禽翼展一米多，飞行速度快，翅膀厚薄不均，其空气动力学对模型的要求更复杂。

为了得到详尽的结果，宋加雷和合作者们采用多种先进的技术。首先他们成功应用了先进的流场测量技术（粒子追踪），这种技术相对于粒子成像速度仪，可以测量更大范围的流场。

在实验室里，宋加雷的科研团队向微小气泡中充入氦气，从而产生几毫米大的气泡，再让猛禽飞过这片气泡群，通过测量气泡的运动来量化气体的流动。

“实验非常有意思，”宋加雷说，“为了测量气泡的运动，就需要有LED灯照明，当光线打到气泡上就是一片白色，猛禽以为是一堵白墙，拒绝飞过。”于是实验人员先关上灯，这样猛禽就不会被干扰，但需要在猛禽飞过气泡群后打开灯光。“有时操作时机不当，灯开早了，可以想象当时猛禽眼前突然出现‘白墙’，内心是何等凌乱。”

实验结果很喜人。测量发现猛禽滑翔飞行时，与我们现在的飞机动力学有很大不同。在飞机飞行时，尾翼会被飞行员操作，使下洗气流强度沿着展向均匀化，减少飞机的诱导阻力。然而，猛禽在滑翔时，却把尾翼下压产生升力，从而使沿展向的下洗气流变化明显，不再均匀分布。这看似增加了阻力，但进一步研究发现，下压的尾翼既产生升力，又减少了阻力。

这种机理上的不同是猛禽和飞机的尺寸差异造成的。因此，虽然莱特兄弟参照鸟的飞行发明了人类历史上第一架飞机，但是不能盲目地把鸟的运动姿态用在飞机上，否则会起到反效果。猛禽的研究成果对于相近尺度的微型飞行器的设计就有了参考意义。

宋加雷博士和其研究的猛禽。

猛禽滑翔飞行时看似非常惬意，但是当飞行时受到扰动，比如阵风吹过时，怎样保持稳定呢？这个研究对于飞行器的稳定性控制非常重要，研究团队在实验室让猛禽飞过风洞上方，模拟向上运动的强风。当猛禽飞过强风区时，头和身体保持稳定，而翅膀却快速上拍和翻转，就像汽车的悬架系统在凹凸不平的地面上保持车身的相对稳定一样。“遇到突发情况，猛禽翅膀上翻的时间要短于它的反应时间。这又是一个被动机制，无需经过大脑思考的。” 宋加雷解释道。

宋加雷关于猛禽飞行文章发表之后受到广泛关注，被《每日邮报》《MSN新闻》等国际媒体撰文报道，Altmetric评价其影响力位列全球同期发表所有研究的top 1%。2020年12月，欧洲空客公司邀请宋博士和英国的合作者一道做线上报告，解读研究成果，并进行样机研制方面的合作。

猛禽飞行的流场（左两图）和正在穿越风洞的苍鹰。

研以致用：用仿生知识与设计服务社会

“探究动物运动机理是非常有意思的研究，但是有意思的东西也需要有用。我们想把从动物身上学到的知识运用到实物上。”宋加雷开玩笑地说，“幸运的是，动物并没有给自己的飞行申请专利”。

虽然已经与国内外几个实验室合作开发，但是他仍想在自己实验室主导仿生机器人开发。仿鸟拍翼飞行器、机器鱼、机器蜘蛛、机器蛇……在他的实验室里，摆放着很多用仿生样机模型。后续功能完善之后，这些仿生机器人可以在室内救援、空中勘测等多个领域有广泛应用，最终发展出仿生空中飞行，陆地行走，水下游动的海陆空多维机器人系统，各种机器人相互通信，从而提高救援与探测的效率。宋加雷说：“目前，这些产品还在不断升级迭代中，未来几年有望投入使用。”

2019年8月，宋加雷结束留学回国，选择在东莞理工学院工作。宋加雷所在的科技创新研究院机器人与智能装备创新中心，是东莞理工学院高水平理工科建设的重大科技创新平台之一，由校长马宏伟教授和另外2名杰出教授学者为科研带头人，探索机器人、高端智能装备领域前沿技术，开展科技产业创新服务。

宋加雷说：“一方面学校对我“看似不务正业”的研究大力支持，另一方面东莞产业链完整、制造业发达，很多科研成果能够快速产业化，变成服务社会的产品。”

宋加雷和仿生机器人样机。

拓展健康领域：人体血液动力学研究

在研究动物飞行动力学时，宋加雷开发改进了一套基于有限差分的流体求解器，这个求解器可以应用在较低雷诺数下复杂结构的流体力学分析。除了生物飞行的流体动力学模拟，该求解器在人体血液动力学模拟上有很大优势。

“力学是一个应用特别广泛的学科，很多问题都是力学问题”，宋加雷说。比如， 心血管疾病中的中风就是血栓对流动的阻碍，而血管瘤的出血也是管壁上应力的异化造成的。通过这套求解器，可以建立高保真度的心血管流动力学模型，不需要通过活体来研究精确的血液动力。

此外，现在侵入型医疗设备已经介入心血管的疾病治疗和功能修复，利用这套求解器可以得到侵入型设备在人体内的综合作用，为它们的优化和新设备的开发提供坚实的理论基础。

利用宋博士的流体求解器得到的心脏瓣膜上压力分布。

最后，宋博士畅想了对未来三个方面的规划：保持研究初心，做好基础研究，创造更多知识，为人们健康贡献力量；争取仿生机器人设计的产业化，把研究的发现变成实实在在有用的东西；开展科普工作，以自然中动物的运动为支点，培养大家对知识的好奇和对科学的追求，也唤起对保护生物多样性的关注。

“毕竟，只有动物存在我们才能去有效的观察研究利用它，当它灭绝了，我们人类也就无法仿生了。”

【记者】吴擒虎