一種既會游泳，也能沖出水面飛行的機器人

潛鳥、海鷗、海鸚和海燕，是大約100種既能飛行又能游泳的鳥類中的一部分。這些潛水鳥能夠扎入水中，游動追逐獵物，隨后又躍出水面，重新飛向空中。

在一項新發表于《科學》雜志的研究中，一個研究團隊受到這些天生適應水域環境的飛行者啟發，設計出一種就像潛水鳥一樣，能夠在水下游動，隨后拍動翅膀沖出水面，繼續在空中飛行的機器人。這種機器人被稱為“撲翼空中-水下航行器”，簡稱FAAV，重量不到300克。它旨在幫助科學家研究潛水鳥得以在空氣和水中運動的力學機制。

這臺機器人由一個中央機體，也就是機身、兩片能夠拍動的柔性機翼，以及一個可操縱的尾部組成。機翼和尾部均可更換為不同尺寸。通過在水箱和當地湖泊中開展實驗，研究人員進一步測試了機翼尺寸、拍翼頻率和尾部角度如何影響機器人從水下游動到沖出水面、進入飛行的過程。

同時適應空氣和水

在這項新研究中，研究團隊試圖設計一種既能在空中飛行、又能在水下運動的航行器。水的密度約為空氣的1000倍，在兩種介質中運動通常需要不同的力學策略。要讓同一臺機器人完成這種轉換，研究人員轉向自然界尋找答案。

新研究分析了海鸚如何潛水、游動和飛行，以及它們如何在空氣與水之間轉換。（圖/Raphael Zufferey via KCLU）

海鸚等鳥類能夠在空中高速飛行，也能潛入水中，以每秒3米的速度游動。它們可以完成一些非常驚人的動作。因此，研究人員意識到，這是一種可行的運動方式，只是過去還沒有人嘗試在移動機器人系統中實現。

為了了解潛水鳥如何飛行，研究團隊查閱了科學文獻，匯總了海鸚、海燕、翠鳥以及其他潛水鳥類的現有數據。他們發現，體型較小的鳥在空中飛行時，每秒大約拍翼10次；在水下游動時，每秒則大約拍翼4次。體型較大的鳥由于翼展更寬，無論在空氣中還是水中，拍翼頻率都會略低一些。

基于對鳥類生物力學的認識，研究團隊開發出一種有翼機器人，其拍翼頻率被設計得與真實潛水鳥相近。

跨介質運動的柔性機翼

這種新型機器人的外形大致類似一只鳥，具有機身、兩片機翼和一個尾部。機身內部裝有電池和防水電動機。電動機驅動一根曲軸，再由曲軸帶動機翼以預設頻率上下拍動。機翼由薄膜制成，表面覆蓋有疏水納米顆粒，有助于迅速排開附著的水。尾部同樣由電機驅動，可以改變角度，幫助機器人向上飛行或向下潛水。

這些機器人可以更換不同尺寸的機翼。研究人員制造并測試了三組機翼：小型機翼寬60厘米，中型機翼寬80厘米，大型機翼寬100厘米。他們首先在一個小型水箱中開展實驗，隨后又在瑞士的日內瓦湖進行了測試。

在測試中，研究人員將機器人放置在水面下約半米處。他們設定機翼以特定頻率拍動，并讓尾部在機器人的整個運動過程中保持特定的俯仰角。隨后，他們觀察機器人在什么條件下能夠成功向水面游去、沖出水面并進入空中。

研究人員在日內瓦湖測試了這種空中-水下機器人，證實它僅靠拍動翅膀，就能以足夠的速度和動力沖出水面。（圖/Raphael Zufferey via KCLU）

研究人員讓機器人在不同機翼尺寸、拍翼頻率和尾部角度下進行了多次飛行。總體而言，他們發現，采用中型機翼時，機器人能夠較為穩定地完成飛行、游動以及水和空氣之間的轉換。機翼的柔性是其中的關鍵：機翼必須足夠柔軟，才能在水中減小實際拍動幅度；同時又必須具有足夠的剛度，以便在空中產生維持飛行所需的升力。

研究人員還發現，當機器人的拍翼頻率約為5赫茲，也就是每秒拍翼5次時，它們在水中的游動速度可接近每秒1米。在采用相近拍翼頻率時，機器人在空中的飛行速度約為每秒6米。機器人的運動速度和拍翼頻率都與真實潛水鳥相近。

從水中直接起飛

此外，研究人員還發現，要讓機器人從水中躍入空中，其機身俯仰角應保持在70度。這是一個相對陡峭的角度，可以避免機器人向上拍翼并沖入空中時，翼尖觸碰水面。如果角度再大一些，機器人就會向后翻倒，重新跌入水中。

圖片示意了機器人沖出水面、飛向空中的運動軌跡。（圖/Raphael Zufferey via KCLU）

有趣的是，這種機翼尺寸、拍翼頻率和尾部俯仰角的組合，使機器人能夠在水下游動、沖離水面并進入飛行狀態，而不需要借助許多潛水鳥起飛時不可或缺的身體結構——腳。當海鸚和鴨子等鳥類從水面起飛時，它們不僅會拍動翅膀、調整尾部角度，還會用腳劃水。出乎意料的是，研究人員發現，對于機器人而言，從水中飛出并不一定需要劃水動作。

飛向海洋觀測的新工具

這一成果有望幫助科學家理解潛水鳥如何調整其飛行力學機制，從而在空氣和水這兩種物理性質截然不同的介質中運動。這一設計還有可能催生一類新型空中-水下無人機和航行器。

接下來，研究團隊將進一步改進機翼設計，使機翼除了上下拍動之外，還能夠轉動。他們還將測試機器人在擾動環境中的表現，例如從波濤起伏的水面沖出，以及在有風條件下飛行。此后，他們希望將這種航行器實際部署到海洋環境中，用于回答海洋科學中的相關問題。

研究人員表示，海洋科學面臨的一項重大挑戰，是如何以較高頻率在眾多地點采集數據，而這種機器人未來有望完成這類任務。它們能夠飛近研究人員感興趣的區域，比如冰山、港口設施，或者一群鯨的上空。隨后，它們可以潛入水中進行測量或采集樣本，再飛回來傳送數據，而成本只有傳統方法的一小部分。之后，它們還可以再次出發，繼續潛水執行任務。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/new-flapping-robot-swims-and-flies-like-diving-bird-0709

https://www.kclu.org/science-technology/2026-07-09/a-new-kind-of-robot-swims-the-seas-and-soars-the-skies

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb6744

#圖片來源：

封面圖&首圖：Raphael Zufferey via KCLU