Birds dynamically adapt to disparate flight behaviours and unpredictable environments by actively manipulating their skeletal joints to change their wing shape. This in-flight adaptability has inspired many unmanned aerial vehicle (UAV) wings, which predominately morph within a single geometric plane. By contrast, avian joint-driven wing morphing produces a diverse set of non-planar wing shapes. Here, we investigated if joint-driven wing morphing is desirable for UAVs by quantifying the longitudinal aerodynamic characteristics of gull-inspired wing-body configurations. We used a numerical lifting-line algorithm (MachUpX) to determine the aerodynamic loads across the range of motion of the elbow and wrist, which was validated with wind tunnel tests using three-dimensional printed wing-body models. We found that joint-driven wing morphing effectively controls lift, pitching moment and static margin, but other mechanisms are required to trim. Within the range of wing extension capability, specific paths of joint motion (trajectories) permit distinct longitudinal flight control strategies. We identified two unique trajectories that decoupled stability from lift and pitching moment generation. Further, extension along the trajectory inherent to the musculoskeletal linkage system produced the largest changes to the investigated aerodynamic properties. Collectively, our results show that gull-inspired joint-driven wing morphing allows adaptive longitudinal flight control and could promote multifunctional UAV designs.

鸟类通过主动操纵它们的骨骼关节来改变它们的翅膀形状，从而动态地适应不同的飞行行为和不可预测的环境。这种飞行中的适应性启发了许多无人机 (UAV) 机翼，它们主要在单个几何平面内变形。相比之下，鸟类联合驱动的机翼变形会产生一组不同的非平面机翼形状。在这里，我们通过量化受海鸥启发的翼体配置的纵向空气动力学特性来研究无人机是否需要联合驱动的机翼变形。我们使用数值提升线算法 (MachUpX) 来确定肘部和腕部运动范围内的空气动力载荷，并通过使用 3D 打印翼体模型​​的风洞测试进行了验证。我们发现联合驱动的机翼变形有效地控制了升力、俯仰力矩和静态余量，但需要其他机制来进行修剪。在机翼伸展能力范围内，特定的关节运动路径（轨迹）允许不同的纵向飞行控制策略。我们确定了两条独特的轨迹，它们将稳定性与升力和俯仰力矩的产生分离。此外，沿着肌肉骨骼连接系统固有的轨迹延伸对所研究的空气动力学特性产生了最大的变化。总的来说，我们的研究结果表明，受海鸥启发的联合驱动机翼变形可以实现自适应纵向飞行控制，并可以促进多功能无人机设计。在机翼伸展能力范围内，特定的关节运动路径（轨迹）允许不同的纵向飞行控制策略。我们确定了两条独特的轨迹，它们将稳定性与升力和俯仰力矩的产生分离。此外，沿着肌肉骨骼连接系统固有的轨迹延伸对所研究的空气动力学特性产生了最大的变化。总的来说，我们的研究结果表明，受海鸥启发的联合驱动机翼变形可以实现自适应纵向飞行控制，并可以促进多功能无人机设计。在机翼伸展能力范围内，特定的关节运动路径（轨迹）允许不同的纵向飞行控制策略。我们确定了两条独特的轨迹，它们将稳定性与升力和俯仰力矩的产生分离。此外，沿着肌肉骨骼连接系统固有的轨迹延伸对所研究的空气动力学特性产生了最大的变化。总的来说，我们的研究结果表明，受海鸥启发的联合驱动机翼变形可以实现自适应纵向飞行控制，并可以促进多功能无人机设计。沿着肌肉骨骼连接系统固有的轨迹延伸对所研究的空气动力学特性产生了最大的变化。总的来说，我们的研究结果表明，受海鸥启发的联合驱动机翼变形可以实现自适应纵向飞行控制，并可以促进多功能无人机设计。沿着肌肉骨骼连接系统固有的轨迹延伸对所研究的空气动力学特性产生了最大的变化。总的来说，我们的研究结果表明，受海鸥启发的联合驱动机翼变形可以实现自适应纵向飞行控制，并可以促进多功能无人机设计。