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真·鲁班:斯坦福学者造出带羽毛翅膀的「机器鸽」,登上Science及其子刊

机器之心 · 2020-01-17
「PigeonBot」飞行机器人装有半生物半机械的「可变形翅膀」。

编者按:本文来自微信公众号“机器之心”(ID:almosthuman2014),作者:Synced,参与:蛋酱、张倩、杜伟,36氪经授权发布。

传说在 2000 多年前,鲁班用竹木做了一只木鸟。做成之后,这只木鸟立刻展翅而飞,三日都不曾落下。但由于年代久远,这一典故已很难考证。100 多年前,莱特兄弟发明了飞机,但众所周知,飞机的机翼和鸟儿的翅膀并不是一回事,因为前者没有模仿鸟儿翅膀的变形运动等复杂机制。那么,人类真的可以借助鸟儿一样的「翅膀」飞上天空吗?近日,《Science》和《Science Robotics》上的两篇新论文表明,斯坦福大学的研究者已经造出了这样的翅膀。
《墨子·鲁问篇》中记载:「公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下。」

传说中鲁班做的「木鸟」。

千百年来,人类从未停止过追求如鸟类一般自由飞翔。凭借着一对灵活的羽毛翅膀,鸟类可以在天空中飞行,飞越海洋和大陆。一百多年前,人类受鸟类启发发明了飞机,依靠坚硬的机翼和螺旋桨来飞向既定的方向。

但传统机翼的缺陷也很明显:它既会给你想要的升力,也会产生你不需要的阻力。飞机诞生之后,人类仍然在追求对鸟类飞行进行更精确的模拟。

近日,《Science》和《Science Robotics》杂志分别刊登了来自斯坦福大学的两篇论文,在这两项研究中,研究者揭示了鸟类是如何通过调整翅膀形状来控制飞行的。他们为一个叫做「PigeonBot」的飞行机器人装上一款半生物半机械的「可变形翅膀」。

斯坦福大学研究者研发的人造翅膀。

与之前的飞机机翼等「翅膀」不同,斯坦福研究者开发的 这款「翅膀」是用真的羽毛做的。插上这双翅膀的「鸽子机器人」不仅能在天空滑翔,还能在空中通过收缩、伸展翅膀完成转弯、爬升等动作。

「鸽子机器人」羽翼振动高清示意图。

鸽子机器人在空中滑翔。

鸽子机器人通过羽翼的收缩、伸展完成转弯、爬升等动作。

真实的鸟类翅膀是非常灵活的,可以改变形状,大多数鸟类都可以将翅膀向后折叠,以此来减少表面接触面积。这样一来就可以根据飞行状态灵活切换,长翼用来高飞和转弯,短翼用来调整速度。

近年来,人类一直在进行人造羽毛方面的尝试,但尚未制造出接近真正鸟类翅膀的羽毛。

三年前,瑞士洛桑联邦理工学院的一所实验室曾试飞过一种带有羽毛折叠翼的无人机,它有羽毛,并且会在飞行时候转换翅膀的倾斜角度和折叠方式。

如图所示,(a)为机翼的 3D 模型。

由(c)到(e)则展示了三种飞行形态:完全展开,不对称,完全折叠。它仍然属于刚性的折叠变换。

与之前的研究不同,斯坦福的研究者没有将精力花在制造仿真羽毛上,因为他们觉得与制造羽毛相比,更关键的是如何复制一双灵活的翅膀,即模仿鸟类翅膀的内部结构和运动机制。

研究人员发现,鸟类羽毛的单独控制更多的是自动而不是手动。而且,羽毛上微小的微观结构形成了一种单向尼龙搭扣式的材料,可以使这些羽毛形成一个连续的曲面,而不是一堆互不相连的曲面。

他们打造的这款鸽子机器人重 280 克,翼展 80 厘米,翅膀上有 40 根羽毛。但是,该机器人的推力靠的并不是翅膀,而是安在前方的推进器,羽毛翅膀用来控制方向和操纵。

鸽子机器人羽翼主体包含四部分:肱骨、桡骨、尺骨和前肢。

使用真实羽毛解决了羽毛的制造难题,但需要想出一种方法来协调所有羽毛之间的复杂关系,正是这种相互作用在控制着真实鸟类的翅膀形变。

通过研究真实的羽毛,研究人员发现,相邻的羽毛互相粘在一起,借助一种名为「定向尼龙扣」的微米级结构,防止向一个方向滑动,这一发现对于「科学和技术来说都是全新的」。

鸽子机器人整体羽翼架构包含一个螺旋桨驱动的仪表板和一个欠驱动的真实羽毛变形翼。

在这个「鸽子机器人」中,真实的羽毛通过弹性连接的方式附着在这双机械翅膀上,翅膀上的腕关节和指关节都能单独驱动。

鸽子机器人借助自己的混合系统进行操控,而推力和额外的稳定控制来自推进器和传统型尾翼。研究者发现,这个鸽子机器人的翻转可以仅通过翅膀上的指关节运动来控制,而且这项技术比传统飞行器用到的副翼横滚要稳定得多。

在气动模拟中,羽翼的不对称变形可以使鸽子机器人做出耦合横滚和反向偏航等动作。

研究团队称,这款鸽子机器人的机动性更强,并且也能够承受更高的风速。目前,PigeonBot 只是一款原型。这项研究对于改进现有飞行器的机翼设计非常有启发意义。

鸽子机器人主要参与者 Eric Chang

Eric Chang 分别是这两篇论文的一作和二作。他现在是斯坦福大学机械工程系博士研究生,在 Lentink Lab 专注于研究鸟类羽翼和尾部变形技术,以更好地理解鸟类如何在复杂的城市和湍流环境中导航。该实验室主要通过研究各种鸟类的飞行来开发更好的飞行机器人。

斯坦福大学博士生 Eric Chang。

据他的领英主页显示,Eric Chang 本科毕业于亚利桑那州大学,期间在新加坡国立大学交流学习一年。自 2015 年起,他开始了在斯坦福大学机械工程系的硕博研究生涯。

关于「鸽子机器人」的研究细节,可以参考以下两篇论文:

  • 《Science》论文:https://science.sciencemag.org/content/367/6475/293

  • 《Science Robotics》论文:https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay1246

参考链接:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/pigeonbot-uses-real-feathers-to-explore-how-birds-fly

https://www.technologyreview.com/f/615061/this-weird-looking-pigeon-is-actually-a-drone-that-flies-with-real-feathers/
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