半生物半機(jī)械的“鴿子機(jī)器人”問(wèn)世

楊大可

機(jī)械羽毛翅膀

飛行中的鴿子機(jī)器人

鳥(niǎo)類，以一種“細(xì)致入微”的方式控制著翅膀飛行，而這是目前人類制造的機(jī)器還無(wú)法做到的。不過(guò)，剛剛在《科學(xué)》和《科學(xué)機(jī)器人》上分別發(fā)表的兩項(xiàng)最新研究中，同一組研究人員揭示了到底是“什么賦予了鳥(niǎo)類這種無(wú)與倫比的控制能力”。同一項(xiàng)研究的不同發(fā)現(xiàn)，在同一天登上《科學(xué)》及其子刊，足見(jiàn)期刊對(duì)其重視程度。這項(xiàng)研究，為人類能制造出像鳥(niǎo)類一樣，在空中靈活操縱的飛行機(jī)器人鋪平了道路。

近20 年來(lái)，機(jī)器人領(lǐng)域的專家們一直在嘗試復(fù)制羽毛狀的機(jī)械翅膀。但因?yàn)槭褂玫亩际墙┯驳拿姘宀牧希又狈?duì)鳥(niǎo)類背部翅膀高度可控、可變形的骨骼和肌肉力學(xué)的深入了解，研究人員的種種努力都受到了極大制約。在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上的這項(xiàng)研究，斯坦福大學(xué)的在讀博士生Eric Chang帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)測(cè)試了正常鴿子的翅膀彎曲和伸展的運(yùn)動(dòng)學(xué)。他們將其理論發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于一個(gè)由40根鴿子羽毛制成翅膀的飛行器上，它被稱為“鴿子機(jī)器人（PigeonBot）”;鴿羽通過(guò)人造彈性韌帶與人造的翅膀關(guān)節(jié)相連。

這個(gè)“鴿子機(jī)器人”重280克，翼展80厘米，和普通鴿子非常相似。它使用電動(dòng)馬達(dá)和螺旋槳來(lái)產(chǎn)生推力。Eric表示，這模仿了鳥(niǎo)類滑翔飛行的動(dòng)力學(xué)，同時(shí)讓研究團(tuán)隊(duì)能夠擁有更長(zhǎng)的飛行測(cè)試時(shí)間。

而在《科學(xué)》雜志上，他的團(tuán)隊(duì)成員LauraMatloff和同事們一起，研究了各種鳥(niǎo)類的單根羽毛之間的相互作用關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了鳥(niǎo)類翅膀變形背后的兩個(gè)主要力學(xué)機(jī)制———羽毛的被動(dòng)重新分布，以及相鄰并重疊的羽毛是通過(guò)羽毛根部一個(gè)鉤狀微小關(guān)節(jié)固定在一起的。通過(guò)在風(fēng)洞中對(duì)鴿子翅膀的研究，Eric 和團(tuán)隊(duì)成員確定了，人造機(jī)械關(guān)節(jié)可以很好地控制羽毛的位置、翼展、面積和長(zhǎng)寬比。

人造關(guān)節(jié)與鴿子羽毛的結(jié)構(gòu)

在對(duì)“鴿子機(jī)器人”的飛行測(cè)試中，通過(guò)控制機(jī)械關(guān)節(jié)讓翅膀發(fā)生不對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)，可以讓“鴿子機(jī)器人”以很小的半徑進(jìn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎動(dòng)作———這正是鳥(niǎo)類利用翅膀進(jìn)行細(xì)微飛行操縱的一些基本證據(jù)。

對(duì)于怎樣想到開(kāi)始這項(xiàng)研究的問(wèn)題，Eric表示，最初他想著如今客機(jī)在機(jī)翼尾端的向上翹起、戰(zhàn)斗機(jī)的副翼，以及飛機(jī)起落架對(duì)長(zhǎng)腿鳥(niǎo)類的仿生學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了一定水平，但卻沒(méi)人詳細(xì)研究過(guò)鳥(niǎo)類在滑翔時(shí)對(duì)翅膀的細(xì)微操控。這也是因?yàn)橛没钪镍B(niǎo)做測(cè)試是很難的?！耙虼耍覀儎?chuàng)建了一個(gè)有羽毛的、生物與機(jī)械混合，并且可以變換翅膀形態(tài)的機(jī)器人。它會(huì)盡可能地模仿鴿子的翅膀，以便人們可以系統(tǒng)地測(cè)試翅膀動(dòng)作變化的工作原理，以及它能使鳥(niǎo)類做什么?！盓rich說(shuō)道：“這等于我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以研究鳥(niǎo)類翅膀動(dòng)作的科學(xué)測(cè)試平臺(tái)?！?/p>

Eric表示：“在這項(xiàng)研究過(guò)程中遇到的最大挑戰(zhàn)———是要保證能多次對(duì)鴿子機(jī)器人進(jìn)行飛行測(cè)試而不損壞，以便收集大量數(shù)據(jù)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)并組裝出這一對(duì)機(jī)械與羽毛混合的翅膀要花費(fèi)大量的精力，所以我們?cè)谧鲲w行測(cè)試時(shí)要非常謹(jǐn)慎，不能讓它墜毀?！薄昂迷谒踩囟冗^(guò)了幾天的飛行測(cè)試，讓我們收集到了足夠的數(shù)據(jù)。”他補(bǔ)充道。對(duì)于這項(xiàng)研究能帶來(lái)的更多影響，Eric詳細(xì)解釋道：“鴿子機(jī)器人的翅膀變形原理將啟發(fā)未來(lái)更多、更強(qiáng)健的翼型可變機(jī)器人，它們能夠駕馭更多的運(yùn)動(dòng)元素，同時(shí)又安全可靠?！薄岸遥覀冇脕?lái)連接的人造韌帶的彈性效果和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)非常好。這說(shuō)明我們不需要單獨(dú)控制翅膀每一部分的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，而是考慮去構(gòu)建一個(gè)更為安全可靠的、對(duì)被動(dòng)動(dòng)力學(xué)要求更少的機(jī)器，這也簡(jiǎn)化了傳感器和控制算法的設(shè)計(jì)工作。傳統(tǒng)意義上，航空工程師設(shè)計(jì)飛機(jī)上的所有運(yùn)動(dòng)部件時(shí)，需要仔細(xì)考慮到它們每一個(gè)的具體位置。”

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中

Eric的團(tuán)隊(duì)成員Laura Matloff 在Science上發(fā)表的研究則更側(cè)重于基礎(chǔ)理論，就是通過(guò)對(duì)“鴿子機(jī)器人”多次試飛測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類翅膀微操作的細(xì)節(jié)。同時(shí)，她還研究了不同鳥(niǎo)的羽毛在重疊和打開(kāi)時(shí)候力道、聲音等控制問(wèn)題。一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，類似倉(cāng)鸮這種“無(wú)聲飛行者”們，它們的翅膀開(kāi)合很安靜;但有很多鳥(niǎo)類的翅膀開(kāi)合是會(huì)發(fā)出很大聲響的，可以想象下一群鵝撲扇著翅膀向你走來(lái)。

對(duì)于接下來(lái)的研究，Eric表示他們正努力地改進(jìn)“鴿子機(jī)器人”的設(shè)計(jì)，以便能提高它的飛行性能和可操作性。同時(shí)，還在考慮將這個(gè)“鴿子機(jī)器人”的羽毛控制技術(shù)，逐步轉(zhuǎn)移到其他不同品種的鳥(niǎo)類翅膀模擬上。他還表示，他們?cè)O(shè)計(jì)的在飛行中連接并控制羽毛之間變化的“定向尼龍搭扣（或者說(shuō)人造翅膀關(guān)節(jié)）”，能為現(xiàn)代鳥(niǎo)類及其有翼祖先的進(jìn)化過(guò)程提供參考信息。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)還可能被用于時(shí)尚、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域。

Eric Chang是斯坦福大學(xué)的在讀博士，這已經(jīng)是他博士學(xué)習(xí)生涯的第5 年了。他表示，在未來(lái)畢業(yè)以后也會(huì)一直致力于通過(guò)鳥(niǎo)類來(lái)啟發(fā)飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作，并用計(jì)算機(jī)建模和組裝實(shí)體模型來(lái)進(jìn)行測(cè)試，更深入地理解鳥(niǎo)類的飛行?！拔覐男【拖矚g所有能飛行的東西，也喜歡大自然;所以我沉迷于鳥(niǎo)類和飛行器的研究?！盓ric說(shuō)道。他提供的生活照，選了一張自己在學(xué)習(xí)馴鷹術(shù)（放鷹捕獵之類）時(shí)的照片。而且，可能是擔(dān)心沒(méi)有自己的正臉，他還提供了一張常規(guī)的大頭照，但鑒于圖片太多就沒(méi)有放出來(lái)了。

目前，人們的飛行器，包括最常乘坐的客機(jī)基本都是固定機(jī)翼的。而Eric Chang和團(tuán)隊(duì)的研究有望推動(dòng)人類設(shè)計(jì)出擁有更靈活機(jī)翼的飛機(jī)。到那時(shí)，或許我們的飛機(jī)將變得更加智能、舒適且安全，真正地像鳥(niǎo)一樣可以在各種不同環(huán)境下自由地飛翔。