潜鸟、海鸥、海鹦和海燕是自然界中约100种既能飞行又能游泳的鸟类。这些潜水鸟能够俯冲入水追逐猎物随后跃出水面继续翱翔。受这些天生的水空两栖飞行家启发麻省理工学院MIT与瑞士洛桑联邦理工学院EPFL的工程师们联合设计出一款机器人它能够在水下游泳然后像潜水鸟一样扑翼跃出水面继续在空中飞行。这款扑翼式空水两栖飞行器FAAV重量不足300克约半磅旨在帮助科学家研究潜水鸟类在空气与水中飞行的力学机制。机器人结构与测试该机器人拥有一个中央机身机体、两个柔性扑翼以及一个可操控的尾部翼和尾均可更换为不同尺寸。工程师们分别在水箱和附近湖泊中开展实验找到了翼展尺寸、扑翼频率和尾部角度的最优组合使机器人能够顺畅地从水中游动过渡到破水而出、跃入空中飞行。相关研究成果已于近日发表在《科学》杂志上。研究人员认为这一设计成果有助于科学家理解潜水鸟类如何调整飞行力学以适应物理属性截然不同的空气与水两种介质。此外该设计还有望开创一类全新的空水两栖无人机及飞行器。研究人员设想这种有翼机器人未来可被部署于海洋学研究领域飞抵传统船只难以安全到达的水域进行采样。我们的愿景是让海洋学家、海洋生物学家和沿海社区的成员能够从船上或岸边放飞这款机器人让它飞到目标区域附近——比如冰山、港口设施或鲸鱼群上方MIT机械工程助理教授拉斐尔·祖弗里Raphael Zufferey说它可以潜入水中进行测量或采集样本再飞回来传递数据成本仅是传统方法的一小部分。之后还能再次出发继续下潜采集。祖弗里是这项新研究的第一作者合著者来自EPFL以及美国华盛顿州贝灵汉的西北印第安学院。飞行力学研究在MIT祖弗里领导着AURA实验室他和学生们以自然界生物力学为灵感研发空中与水下飞行器。他们打造的机器人体型小巧旨在不打扰生态环境的前提下对海洋和水道的健康状况进行探索与监测。在本次研究中团队的目标是设计一款能在空中和水下均可飞行的飞行器。任何此类飞行器都必须适应两种截然不同的介质并在两者之间完成切换。水的密度是空气的1000倍在两种介质中运动所需的力学机制大相径庭——至少人们通常这样认为。要让过渡顺利完成确实需要做出一些调整。但自然界中已经存在解决方案祖弗里说像海鹦这样的鸟类能以极快的速度在空中飞行也能以每秒3米的速度潜水游泳。它们能做到相当惊人的事情。所以我们知道这是可能的只是还没有人在可移动的机器人系统中尝试过。为深入了解潜水鸟类的飞行方式团队查阅了大量科学文献汇总了关于海鹦、海燕、翠鸟等潜水鸟类的现有数据。他们发现体型较小的鸟类在空中飞行时每秒扑翼约10次在水中游泳时约每秒4次体型较大的鸟类由于翼展更宽在空气和水中的扑翼频率均略低一些。在鸟类生物力学数据的指引下团队研发出一款扑翼频率与真实潜水鸟类相近的有翼机器人。从水到空的跃迁这款新型机器人大体上与鸟类相似拥有机身、两翼和尾部。机身内置电池和防水电动机电动机驱动曲轴带动双翼以预设频率上下扑动。翼面由薄膜制成表面涂有疏水纳米颗粒有助于快速甩去水分。尾部配有电动驱动装置可调整角度以控制机器人爬升或俯冲。研究人员制作并测试了三组不同尺寸的翼小翼翼展60厘米、中翼80厘米和大翼100厘米。实验首先在小型水箱中进行随后转至瑞士日内瓦湖开展测试。测试时研究人员将机器人置于水面以下约半米处预先编程设定翼的扑动频率和尾部俯仰角度随后观察在哪些条件下机器人能够顺利游向水面、跃出水体、进入空中飞行。机器人在不同翼展、扑翼频率和尾部角度的组合下完成了多次飞行测试。总体而言团队发现搭载中等尺寸翼时机器人能够可靠地完成飞行、游泳以及水空之间的过渡。翼的柔韧性至关重要——翼需要足够柔软以减小在水中的扑翼幅度同时又足够硬挺以维持在空中的飞行高度。研究人员还发现当机器人以约5赫兹每秒5次的频率扑翼时水中游速可接近每秒1米以相近频率扑翼时空中飞速可达约每秒6米。这些速度和扑翼频率与真实潜水鸟类非常接近。为实现从水到空的跃迁他们发现机器人的俯仰角应设为70度——这一较陡的角度能确保翼尖在向上扑动跃出水面时不会触及水面。若角度再陡机器人则会向后倒回水中。有趣的是这一翼展、扑翼频率与尾部俯仰角的组合使机器人能够在水下游动、跃出水面并飞行而无需许多潜水鸟类所必须借助的脚蹼。海鹦、鸭子等鸟类从水面起飞时通常需要用脚蹼划水同时扑翼并调整尾部角度。令人惊讶的是祖弗里和同事发现至少在机器人领域从水中跃飞的动作并不一定需要划水动作。观察鸟类可以发现大多数鸟类从水面起飞时都需要用脚蹼划水。问题是机器人是否也需要这样结果表明并不需要祖弗里说。未来展望与应用前景接下来团队将改进翼部设计使其除上下扑动外还能实现转向。他们还将在湍流条件下测试机器人的性能例如在波涛汹涌的水面起飞以及在强风中飞行。此后他们希望将这款飞行器实际部署用于解答海洋科学领域的诸多问题。海洋科学面临的重大挑战之一是如何在多个地点频繁采集数据而这正是这款机器人未来可能实现的祖弗里说你可以不只每周一次而是每小时就派出它。它能高速飞出、潜入水中、飞回来传递数据然后再次出发反复循环。本研究部分得到了玛丽·居里行动奖学金资助。QAQ1这款扑翼式空水两栖飞行器FAAV是如何实现从水中跃入空中的A机器人需要将尾部俯仰角设置为70度配合中等尺寸翼和约每秒5次的扑翼频率即可顺利从水中跃出进入空中飞行。这一较陡的角度能防止翼尖在扑动时触及水面而且研究人员发现机器人无需像海鹦等鸟类那样用脚蹼划水辅助起飞仅靠扑翼和尾部控制就能完成水空过渡。Q2FAAV机器人在水中和空中分别能达到多快的速度A根据测试结果机器人以约每秒5次的扑翼频率飞行时水中游速接近每秒1米空中飞速约为每秒6米。这与真实潜水鸟类如海鹦的速度和扑翼频率非常接近验证了仿生设计的有效性。Q3FAAV机器人未来有哪些实际应用场景A研究团队设想将其用于海洋学研究例如飞抵冰山、港口或鲸鱼群附近潜入水中采集数据或样本后飞回传递信息成本远低于传统方法。未来还可实现高频次、多地点的海洋数据采集甚至每小时出动一次极大提升海洋监测的效率和覆盖范围。