撲翼機(jī)器人問(wèn)世：像潛水鳥一樣在水空間自由穿梭

潛鳥、海鷗、海鸚和海燕，是自然界中約100種既能飛行又能游泳的鳥類。這些潛水鳥能夠俯沖入水追逐獵物，隨后躍出水面繼續(xù)翱翔。

受這些天生的水空兩棲飛行家啟發(fā)，麻省理工學(xué)院（MIT）與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的工程師們聯(lián)合設(shè)計(jì)出一款機(jī)器人，它能夠在水下游泳，然后像潛水鳥一樣撲翼躍出水面，繼續(xù)在空中飛行。

這款"撲翼式空水兩棲飛行器"（FAAV）重量不足300克（約半磅），旨在幫助科學(xué)家研究潛水鳥類在空氣與水中飛行的力學(xué)機(jī)制。

機(jī)器人結(jié)構(gòu)與測(cè)試

該機(jī)器人擁有一個(gè)中央機(jī)身（機(jī)體）、兩個(gè)柔性撲翼以及一個(gè)可操控的尾部，翼和尾均可更換為不同尺寸。工程師們分別在水箱和附近湖泊中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，找到了翼展尺寸、撲翼頻率和尾部角度的最優(yōu)組合，使機(jī)器人能夠順暢地從水中游動(dòng)過(guò)渡到破水而出、躍入空中飛行。

相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。研究人員認(rèn)為，這一設(shè)計(jì)成果有助于科學(xué)家理解潛水鳥類如何調(diào)整飛行力學(xué)，以適應(yīng)物理屬性截然不同的空氣與水兩種介質(zhì)。此外，該設(shè)計(jì)還有望開(kāi)創(chuàng)一類全新的空水兩棲無(wú)人機(jī)及飛行器。研究人員設(shè)想，這種有翼機(jī)器人未來(lái)可被部署于海洋學(xué)研究領(lǐng)域，飛抵傳統(tǒng)船只難以安全到達(dá)的水域進(jìn)行采樣。

"我們的愿景是，讓海洋學(xué)家、海洋生物學(xué)家和沿海社區(qū)的成員能夠從船上或岸邊放飛這款機(jī)器人，讓它飛到目標(biāo)區(qū)域附近——比如冰山、港口設(shè)施，或鯨魚群上方，"MIT機(jī)械工程助理教授拉斐爾·祖弗里（Raphael Zufferey）說(shuō)，"它可以潛入水中進(jìn)行測(cè)量或采集樣本，再飛回來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，成本僅是傳統(tǒng)方法的一小部分。之后還能再次出發(fā)，繼續(xù)下潛采集。"

祖弗里是這項(xiàng)新研究的第一作者，合著者來(lái)自EPFL以及美國(guó)華盛頓州貝靈漢的西北印第安學(xué)院。

飛行力學(xué)研究

在MIT，祖弗里領(lǐng)導(dǎo)著AURA實(shí)驗(yàn)室，他和學(xué)生們以自然界生物力學(xué)為靈感，研發(fā)空中與水下飛行器。他們打造的機(jī)器人體型小巧，旨在不打擾生態(tài)環(huán)境的前提下，對(duì)海洋和水道的健康狀況進(jìn)行探索與監(jiān)測(cè)。

在本次研究中，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款能在空中和水下均可飛行的飛行器。任何此類飛行器都必須適應(yīng)兩種截然不同的介質(zhì)，并在兩者之間完成切換。水的密度是空氣的1000倍，在兩種介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)所需的力學(xué)機(jī)制大相徑庭——至少人們通常這樣認(rèn)為。

"要讓過(guò)渡順利完成，確實(shí)需要做出一些調(diào)整。但自然界中已經(jīng)存在解決方案，"祖弗里說(shuō)，"像海鸚這樣的鳥類，能以極快的速度在空中飛行，也能以每秒3米的速度潛水游泳。它們能做到相當(dāng)驚人的事情。所以我們知道這是可能的，只是還沒(méi)有人在可移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)中嘗試過(guò)。"

為深入了解潛水鳥類的飛行方式，團(tuán)隊(duì)查閱了大量科學(xué)文獻(xiàn)，匯總了關(guān)于海鸚、海燕、翠鳥等潛水鳥類的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，體型較小的鳥類在空中飛行時(shí)每秒撲翼約10次，在水中游泳時(shí)約每秒4次；體型較大的鳥類由于翼展更寬，在空氣和水中的撲翼頻率均略低一些。

在鳥類生物力學(xué)數(shù)據(jù)的指引下，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款撲翼頻率與真實(shí)潛水鳥類相近的有翼機(jī)器人。

從水到空的躍遷

這款新型機(jī)器人大體上與鳥類相似，擁有機(jī)身、兩翼和尾部。機(jī)身內(nèi)置電池和防水電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲軸，帶動(dòng)雙翼以預(yù)設(shè)頻率上下?lián)鋭?dòng)。翼面由薄膜制成，表面涂有疏水納米顆粒，有助于快速甩去水分。尾部配有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，可調(diào)整角度以控制機(jī)器人爬升或俯沖。

研究人員制作并測(cè)試了三組不同尺寸的翼：小翼（翼展60厘米）、中翼（80厘米）和大翼（100厘米）。實(shí)驗(yàn)首先在小型水箱中進(jìn)行，隨后轉(zhuǎn)至瑞士日內(nèi)瓦湖開(kāi)展測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，研究人員將機(jī)器人置于水面以下約半米處，預(yù)先編程設(shè)定翼的撲動(dòng)頻率和尾部俯仰角度，隨后觀察在哪些條件下機(jī)器人能夠順利游向水面、躍出水體、進(jìn)入空中飛行。

機(jī)器人在不同翼展、撲翼頻率和尾部角度的組合下完成了多次飛行測(cè)試。總體而言，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，搭載中等尺寸翼時(shí)，機(jī)器人能夠可靠地完成飛行、游泳以及水空之間的過(guò)渡。翼的柔韌性至關(guān)重要——翼需要足夠柔軟，以減小在水中的撲翼幅度，同時(shí)又足夠硬挺，以維持在空中的飛行高度。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人以約5赫茲（每秒5次）的頻率撲翼時(shí)，水中游速可接近每秒1米；以相近頻率撲翼時(shí)，空中飛速可達(dá)約每秒6米。這些速度和撲翼頻率與真實(shí)潛水鳥類非常接近。

為實(shí)現(xiàn)從水到空的躍遷，他們發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的俯仰角應(yīng)設(shè)為70度——這一較陡的角度能確保翼尖在向上撲動(dòng)躍出水面時(shí)不會(huì)觸及水面。若角度再陡，機(jī)器人則會(huì)向后倒回水中。

有趣的是，這一翼展、撲翼頻率與尾部俯仰角的組合，使機(jī)器人能夠在水下游動(dòng)、躍出水面并飛行，而無(wú)需許多潛水鳥類所必須借助的腳蹼。海鸚、鴨子等鳥類從水面起飛時(shí)，通常需要用腳蹼劃水，同時(shí)撲翼并調(diào)整尾部角度。令人驚訝的是，祖弗里和同事發(fā)現(xiàn)，至少在機(jī)器人領(lǐng)域，從水中躍飛的動(dòng)作并不一定需要?jiǎng)澦畡?dòng)作。

"觀察鳥類可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鳥類從水面起飛時(shí)都需要用腳蹼劃水。問(wèn)題是，機(jī)器人是否也需要這樣？結(jié)果表明，并不需要，"祖弗里說(shuō)。

未來(lái)展望與應(yīng)用前景

接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)將改進(jìn)翼部設(shè)計(jì)，使其除上下?lián)鋭?dòng)外還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。他們還將在湍流條件下測(cè)試機(jī)器人的性能，例如在波濤洶涌的水面起飛以及在強(qiáng)風(fēng)中飛行。此后，他們希望將這款飛行器實(shí)際部署，用于解答海洋科學(xué)領(lǐng)域的諸多問(wèn)題。

"海洋科學(xué)面臨的重大挑戰(zhàn)之一，是如何在多個(gè)地點(diǎn)頻繁采集數(shù)據(jù)，而這正是這款機(jī)器人未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的，"祖弗里說(shuō)，"你可以不只每周一次，而是每小時(shí)就派出它。它能高速飛出、潛入水中、飛回來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，然后再次出發(fā)，反復(fù)循環(huán)。"

本研究部分得到了瑪麗·居里行動(dòng)獎(jiǎng)學(xué)金資助。

Q&A

Q1：這款撲翼式空水兩棲飛行器（FAAV）是如何實(shí)現(xiàn)從水中躍入空中的？

A：機(jī)器人需要將尾部俯仰角設(shè)置為70度，配合中等尺寸翼和約每秒5次的撲翼頻率，即可順利從水中躍出進(jìn)入空中飛行。這一較陡的角度能防止翼尖在撲動(dòng)時(shí)觸及水面，而且研究人員發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人無(wú)需像海鸚等鳥類那樣用腳蹼劃水輔助起飛，僅靠撲翼和尾部控制就能完成水空過(guò)渡。

Q2：FAAV機(jī)器人在水中和空中分別能達(dá)到多快的速度？

A：根據(jù)測(cè)試結(jié)果，機(jī)器人以約每秒5次的撲翼頻率飛行時(shí)，水中游速接近每秒1米，空中飛速約為每秒6米。這與真實(shí)潛水鳥類（如海鸚）的速度和撲翼頻率非常接近，驗(yàn)證了仿生設(shè)計(jì)的有效性。

Q3：FAAV機(jī)器人未來(lái)有哪些實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景？

A：研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想將其用于海洋學(xué)研究，例如飛抵冰山、港口或鯨魚群附近，潛入水中采集數(shù)據(jù)或樣本后飛回傳遞信息，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法。未來(lái)還可實(shí)現(xiàn)高頻次、多地點(diǎn)的海洋數(shù)據(jù)采集，甚至每小時(shí)出動(dòng)一次，極大提升海洋監(jiān)測(cè)的效率和覆蓋范圍。