半鸟半机!斯坦福打造“鸽子机器人”登上《Science》!
2020-01-20 阅读量:113 来源:机智网

2020年1月16日和17日,“鸽子机器人”的研究成果分别发表在《Science Robotics》和《Science》双刊上。

作为全球最权威的学术期刊之一,《Science》的子刊和主刊都发表该研究成果,可见其重要性。更让人好奇的是,这是一个怎样独特的“鸽子机器人”。

事实上,从外观来看,“鸽子机器人”并非人们想象中那样高大上,甚至令人觉得不过是小学作业模型。然而,“人不可貌相,水不可斗量”,本文就为大家展现其中玄机。

首先,这并非小学生作品,而是由斯坦福大学的机械工程学助理教授David Lentink、在读博士生Eric Chang、Amanda Stowers等研究人员组成的团队。它的前部有一个螺旋桨,用于实现操纵和机动。羽毛采用真实材料,共40根,用弹簧和橡皮筋充当人造韧带和人造翅膀关节,并将羽毛和鸽子机器人的腕、爪结构相连。如此一来,这个半机械、半生物的“鸽子机器人”不仅能做到变换翅膀形态,而且是目前最栩栩如生的鸽子形态的机器人。

几个世纪以来,科学家们一直热衷于观察鸟类,希望模拟出像鸟一样毫不费力地在空中长途飞行的优雅场景。公元前约420年出生的古希腊数学力学家阿契塔曾发明了“机械鸽”,被认为是最古老的机器人。但是,没有一份原理图能幸存下来,当代的研究者们只能凭空猜测它的构造和运作原理。


在流传下来的文献记载中,这只“鸽子”可以飞行至少200米。但无论它是否能飞、能飞多远,阿契塔的“机械鸽”只是古代人类对飞行机器人的憧憬和遐想而已。在现代,人类在鸟的启发下,发明了飞机,但是目前的飞机的双翼都采用固定的结构,无法像鸟一样灵活伸展,因此应用仍然较有限。对于无人机来说,亦是如此。

至今,研究鸟类飞行方式始终是一道难题,因为翅膀动态中呈现的形状和羽毛的位置有着复杂的联系。在这一研究中,斯坦福大学研究者们通过研究鸟类翅膀变形机制和生物力学,观察鸟类在飞翔时对翅膀的细微操控,同时通过无线电遥控,对“鸽子机器人”进行的进行测试并数据收集,从而得出了两个发现。


研究发现一:羽毛并非由单个肌肉控制

科学家们曾认为羽毛受到单个肌肉控制。而这次研究发现,鸟类翅膀运动方式比预期更简单。所有的四肢动物,包括恐龙,都是从四肢末端有五个指头的祖先进化而来。随着时间的推移,这些指头逐渐进化成手、爪子、鳍状肢或翅膀。

尽管现代鸟类只保留了三个指头,但研究人员通过在风洞中研究鸽子的翅膀发现,只要移动鸟类的腕部和指头,羽毛就会落到合适的位置。当鸟的腕部和指头移动时,所有的羽毛也会自动动起来。也就是说,鸟并不需要不断地驱动每一根羽毛,所有的羽毛会通过将羽毛与骨骼相连的弹性韧带自动随着腕部和指头进行运动。这是一种巧妙的系统,极大地简化了鸟类羽毛的控制方式。


研究发现二:鸟类翅膀变形背后的秘密

研究团队还研究了各种鸟类的单根羽毛之间的相互作用关系,以理解大多数鸟类是如何“御风”飞翔的。结果发现相邻并重叠的羽毛是通过羽毛根部一个钩状微小关节固定在一起的。这些小钩子非常小,即使用显微镜也很难看到。

当鸟伸展翅膀时,羽毛上的小钩子会像尼龙搭扣一样锁在一起。当鸟收起翅膀时,羽毛又会自动解锁。对大多数鸟类来说,分离锁住的羽毛会发出可听见的声音。David Lentink教授对此说:“羽毛之间的这些微小的微观结构一旦分开太远,就会将它们锁在一起,形成一个缺口。这真的很壮观,需要一股巨大的力量才能将他们分开。”

“鸽子机器人”的价值


该研究组相信,在设计了这个使用真正的鸽子羽毛的机器人后,他们离研究能够模仿鸟类飞行方式的无人机又近了一步。


落地应用

Lentink说,这种结构类似尼龙搭扣的结构,技术上被称为“叶状纤毛”,可能会被广泛应用在时尚、医疗和航空航天上,比如高科技服装、特殊绷带之类的东西。对此,以蝙蝠为灵感开发机器人的东北大学(Northeastern University)工程学教授Alireza Ramezani认为,这是一个迹象,表明未来的无人机设计可能会远离固定翼或旋转翼技术。相对于覆盖柔软羽毛的翅膀,坚硬的机翼具有一定的危险性。在未来的智能城市中,人与空中飞行设备进行接触时,柔软的设计显然更适合。Ramezani设想以动物为灵感的机器人将用于未来的监视、侦察工作或者包裹递送。


启发价值

目前,飞机的机翼设计在许多方面都还在依赖一个多世纪前建立的规则。研究人员在《Science Robotics》的论文中写道:“我们发现的变形机翼原理可能会带来更经济、更简单的变形机翼设计,使飞机和机器人拥有更多自由度。”此外,“鸽子机器人”或许还能为研究现代鸟类及其有翼祖先的进化过程提供有价值的参考


下一步

现在,Lentink正在研究相应的鸟类尾巴,以匹配翅膀,同时受到猎鹰的启发,他将开始研究一种全新仿生机器人。这种机器人可能拥有脚和爪子。

Eric表示,他们正努力改进“鸽子机器人”的设计,以便能提高它的飞行性能和可操作性。同时,还在考虑将 类似的羽毛控制技术,逐步转移到其他不同品种的鸟类翅膀的模拟上。

值得一提的是,这个“鸽子机器人”还不能像真的鸽子或其他鸟一样振翅。从上文的视频中可以看出,它呈现的是滑翔的状态。自航空时代开始以来,科学家们一直在努力研究能够像鸟一样灵活飞行的飞机,以实现更快、更灵活地转弯,而该研究为实现这一目标带来了希望。可以预期的是,开发出真正像鸟一样可以在不同环境下,自由张翅翱翔的飞机或者无人机,将不再遥远。

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