厲害了！機(jī)器人破水而出，竟能一飛沖天，日內(nèi)瓦科學(xué)家都震驚了

科學(xué)家近日在日內(nèi)瓦湖測(cè)試了一種可在空中和水中活動(dòng)的飛行機(jī)器人，證明它僅靠機(jī)翼就具備足夠的速度和動(dòng)力，能夠自行破水起飛。麻省理工學(xué)院機(jī)械工程師拉斐爾·祖費(fèi)雷的實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)裝滿亮藍(lán)綠色水的大型水槽、一排能夠制造強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)扇，以及隨處可見(jiàn)的小型飛行機(jī)器人。

這里的主角正是這些機(jī)器人。它們的靈感來(lái)自大西洋海鸚等潛水海鳥(niǎo)。這類鳥(niǎo)既用翅膀飛行，也用翅膀游泳。祖費(fèi)雷說(shuō)：“海鸚解決了一個(gè)非常困難的問(wèn)題：在空氣和水中移動(dòng)，而這兩種介質(zhì)的密度差異巨大。”他和同事想知道，能否造出一種與鳥(niǎo)類體型相近、同樣能夠在空氣和水中移動(dòng)并在兩者之間切換的機(jī)器人。

它也有許多潛在用途，包括觀測(cè)近海海洋環(huán)境，以及監(jiān)測(cè)偏遠(yuǎn)珊瑚礁等目標(biāo)。機(jī)器人可以飛到珊瑚礁，或飛向鯨群、藻華等目標(biāo)，然后下水取樣并收集數(shù)據(jù)。這類受生物啟發(fā)的機(jī)器人，也是同時(shí)理解自然與工程的一個(gè)重要方向。克利夫頓說(shuō)：“生物學(xué)啟發(fā)了機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)反過(guò)來(lái)也被用來(lái)理解生物學(xué)。”

工程團(tuán)隊(duì)研究了海鸚如何潛水、游泳、飛行，以及如何在空氣和水之間切換。制造這臺(tái)機(jī)器人用了兩年時(shí)間。祖費(fèi)雷回憶說(shuō)，起初他覺(jué)得，“要設(shè)計(jì)一種機(jī)翼，讓它在空氣和水中都能有一定效率地工作，聽(tīng)起來(lái)幾乎不太可能”。但他和同事并未因此退縮。他們以潛水鳥(niǎo)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了機(jī)器人的整體體型，同時(shí)做了幾處關(guān)鍵調(diào)整。

首先，他們決定不安裝腿部結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵跈C(jī)器人設(shè)計(jì)中，腿部很難制造、控制，也難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。祖費(fèi)雷說(shuō)：“我們轉(zhuǎn)而思考，能不能只靠機(jī)翼本身，直接從水里進(jìn)入空中？”研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有采用許多潛水鳥(niǎo)那樣可折疊的翅膀。祖費(fèi)雷說(shuō)，那樣會(huì)過(guò)于復(fù)雜。“你需要增加關(guān)節(jié)，還要增加電機(jī)。所以我們轉(zhuǎn)而依靠機(jī)翼本身的柔性。”

他舉起最終成型的機(jī)器人。它的造型很簡(jiǎn)潔。容納電機(jī)和電池的中央機(jī)身完全敞開(kāi)，內(nèi)部電子部件清晰可見(jiàn)。祖費(fèi)雷解釋說(shuō)：“水會(huì)直接灌進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。所以你必須把每一個(gè)部件分別做好防水。”這種設(shè)計(jì)讓機(jī)器人既足夠輕，便于在空中飛行，又能保持中性浮力，也就是說(shuō)，它不會(huì)浮到水面，也不會(huì)沉到水底，而是能穩(wěn)定停留在水中。

機(jī)器人帶有尾部結(jié)構(gòu)，以幫助飛行。機(jī)翼由半透明尼龍織物制成，并用碳纖維支桿加固。祖費(fèi)雷托著機(jī)身，機(jī)翼快速而有力地上下拍動(dòng)。他說(shuō)：“你能真切感受到那種力量。”機(jī)器人在維持飛行時(shí)，每秒拍翼5到6次。但要從水中脫離并沖入空中，它必須每秒拍翼10次，才能產(chǎn)生足夠的速度和推力。

大多數(shù)潛水鳥(niǎo)僅靠翅膀無(wú)法產(chǎn)生這樣的動(dòng)力，因此它們起飛時(shí)需要借助雙腿沿水面奔跑。祖費(fèi)雷說(shuō)，翠鳥(niǎo)是個(gè)例外，但那是一種特別輕的鳥(niǎo)。祖費(fèi)雷調(diào)出了一段他和同事在瑞士日內(nèi)瓦湖拍攝的視頻。遠(yuǎn)處是阿爾卑斯山，湖面平靜。

水面先泛起一絲輕微漣漪，隨后機(jī)器人猛然破水而出，飛入空中——整個(gè)過(guò)程不到1秒。它發(fā)出的聲音，聽(tīng)起來(lái)確實(shí)像一只鳥(niǎo)起飛。研究人員計(jì)算了最佳起飛角度和機(jī)翼尺寸。他們估計(jì)，機(jī)器人單次充電后可飛行不到4英里，或游動(dòng)略多于1英里。克利夫頓說(shuō)：“這比短距離鐵人三項(xiàng)中跑步和游泳兩個(gè)賽段的總長(zhǎng)度還要長(zhǎng)。”

她對(duì)這款機(jī)器人整體表現(xiàn)印象深刻。她說(shuō)：“它既輕巧又有力量，在游泳、飛行以及兩者之間切換的性能上，都是一個(gè)里程碑式的進(jìn)展。”談到未來(lái)，祖費(fèi)雷對(duì)這類機(jī)器人的應(yīng)用前景感到興奮，包括監(jiān)測(cè)有害藻華、魚(yú)類資源和海岸侵蝕。他計(jì)劃為設(shè)備配備若干機(jī)載傳感器，以支持這類數(shù)據(jù)采集。

此外，祖費(fèi)雷和團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)打磨和改進(jìn)這種空水兩棲機(jī)器人。它們通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷完善，但靈感依然來(lái)自自然世界。祖費(fèi)雷說(shuō)：“你會(huì)發(fā)現(xiàn)，生物界其實(shí)早已實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。”這會(huì)給機(jī)器人研究者帶來(lái)希望。它說(shuō)明，這件事應(yīng)該是可以做到的。