3張圖，發了一篇Science封面論文，這款250克仿生機器人，憑啥“飛天入海”？

在自然界中，近100種鳥類能夠將飛行本領“延伸”到水下世界——它們既能在空中翱翔，也能潛入水中捕食。然而，空氣密度約為水的千分之一，這意味著鳥類在兩種介質中撲動翅膀時，所承受的力矩和所需的速度截然不同。它們如何在這兩套“物理規則”之間無縫切換？長期以來，這一直是生物力學領域的一大謎題。

傳統的動物實驗很難精確控制鳥類的行為，而計算機模擬在面對翅膀的大幅度柔性變形以及水、氣兩相流耦合時，也顯得力不從心。不過，麻省理工學院Raphael Zufferey博士團隊，打造了一款重250克的撲翼機器人，成功復現了潛水鳥類“飛行—游泳—俯沖入水—躍水而出”的完整行為鏈（圖1a）。相關論文以“Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings”為題，發表在Science上。

▍一臺會飛、會游、會“起飛”的機器人

這款機器人的設計靈感直接來源于潛水鳥類。它擁有修長的機身、對稱的薄膜機翼，以及一個可操控的尾翼（圖1e）。更重要的是，研究人員可以通過更換不同尺寸和剛度的機翼，系統性地測試各種參數對性能的影響。

潛水鳥類在水下撲翼時，會通過翼部形變來減小載荷。受此啟發，這臺機器人并未采用復雜的機翼折疊機構，而是使用了超柔性機翼——其柔性比真實鳥類骨骼高出三到四個數量級。在水下撲動時，機翼會被動彎曲，有效縮小翼尖的行程和所受載荷。得益于此，機器人能在高達6赫茲的頻率下撲翼，遠超剛性機翼0.85赫茲的極限，甚至高于其空中巡航所需的5.2赫茲頻率。同時，機器人被設計為中性浮力，避免了像潛水鳥類那樣需要額外消耗能量來對抗浮力（圖1d、1b）。

圖1. 水空運動中的物理適配與機器人平臺。 （A）潛水鳥類四種運動階段的示意圖：空中飛行、水面滑行、水下游泳和俯沖入水。（B）本研究中機器人與潛水鳥類在空氣和水中的撲翼頻率范圍對比。（C）理論所需頻率比（基于等比例縮放）與實際觀察到的生物頻率比（基于文獻數據）的差異。陰影區域表示圍繞標稱翼展88厘米的±10厘米變化范圍。無刷電機的速度-扭矩曲線以虛線表示。該分析假定撲翼為正弦運動，并由正向運動學驗證。（D）機器人出水瞬間的前視照片。膜翼以60°幅值、10赫茲頻率撲動，尾部部分浸沒，即將離開水面。（E）本研究使用的機器人機身裝配俯視渲染圖。

▍機翼尺寸的“取舍”：天上要夠大，水里要夠小

為了探究翼展大小對性能的影響，研究人員測試了小、中、大三組機翼（圖2a）。風洞實驗表明，中型和大型機翼在6赫茲以上撲頻時，能產生足夠的升力和推力，而小型機翼則需要接近10赫茲才能產生有效推力（圖2d、2f）。盡管功率消耗隨翼展和頻率增加而上升（圖2e），但中、大型機翼在飛行和起飛任務中明顯更勝一籌（圖2g）。

然而，水下游泳測試卻呈現了相反的趨勢：在5赫茲撲頻下，小型機翼以0.95米/秒的速度表現最佳，中型為0.79米/秒，大型僅為0.64米/秒（圖2k）。這說明，較大的機翼雖然能產生更大的推進力，但隨之而來的阻力也顯著增加，最終反而拖慢了速度。有趣的是，電力消耗主要取決于撲翼頻率而非機翼尺寸（圖2l），而“運輸成本”（即單位距離的能耗）在低頻時最低，且與機翼大小關系不大（圖2m）。

最終，中等尺寸的機翼被證實是兼顧空中與水下性能的最佳折中選擇。在實測中，該構型的機器人室內飛行速度可達6.3米/秒（圖2h），基于實測功率與速度數據推算，單次充電可飛行約6公里或水平游泳約2公里（圖2數據）。

▍機翼剛度：柔性是“妙招”，太硬反而不行

除了尺寸，機翼剛度同樣關鍵。研究人員在中型機翼上測試了五種不同剛度，發現柔韌性較好的機翼在水下高頻撲動時速度更快，在低頻時能耗更低；而剛度太高的機翼會因電機負荷過大，將最大可用頻率限制在4.9赫茲。

水下高速攝影證實，柔性機翼可將翼尖振幅被動減少60%至90%，從而將斯特勞哈爾數（衡量推進效率的關鍵指標）維持在最經濟的0.2~0.4區間（圖2j、2k）。可以說，恰到好處的柔性，讓機器人在水中“游刃有余”。

圖2. 單一介質中的運動與性能。 （A）三組展弦比相同、半翼展分別為430毫米（小）、530毫米（中）和430毫米（大）的機翼。（注：原文圖2a標注中，大、中、小依次為430mm、530mm、330mm半翼展，此處按原文順序列出）。（B）用于采集空中數據的風洞設備后視圖，氣流速度6米/秒，攻角20°。（C）撲翼機器人機身的特寫。（D）不同頻率下的升力值。（E）不同頻率下的功率值。（F）不同頻率下的推力（即阻力的反向）值。（G）無風起飛狀態下的無量綱推力值。（H）室內環境中的撲翼飛行演示。（I）Elliott等人（24）報道的動物游泳與飛行運輸成本，機器人數據取自最小巡航飛行狀態和1赫茲游泳狀態，運輸成本以電功率計。（J）機器人在游泳狀態下的俯視圖像。（K）光學追蹤測得的不同翼展下的游泳速度，SD表示標準差，N=4。（L）不同頻率下的功率消耗，SD表示標準差。（M）游泳時的運輸成本。

▍出水瞬間：角度和尾巴，一個都不能錯

對于潛水鳥類和機器人而言，從水中躍向空中是最具挑戰性的一環。研究人員在室內水池和自然湖泊中進行了大量躍水實驗（圖3a），結果發現：尾部長度和出水角度是成敗的關鍵。

尾部過長時，會在出水瞬間產生強大的下俯力矩，將機器人重新拉回水中；但如果沒有尾部，空中飛行又會變得不穩定。最終，短尾設計被證明是最佳方案——它既能最大限度減少下俯力矩，又能提供足夠的俯仰控制（圖3b）。

出水角度同樣需要“精準拿捏”：小于55°時，尾部容易造成下俯而失敗；接近垂直（≥80°）時，雖然能騰空，但容易進入倒退飛行并重新落水；唯有70°左右的角度，能確保成功率。出水后，機器人通過尾翼升降舵調整姿態，平穩過渡到前向飛行（圖3d）。整個過程耗時不足1秒，大約需要8到10次撲翼（圖3c），但動能與勢能增益相對于電能消耗的比例僅為1:40——也就是說，躍水消耗的能量遠超最終獲得的機械能，顯示出這一過渡階段的巨大能量代價（圖3e、3f）。

▍俯沖入水：像炮彈一樣扎進去，然后穩穩游起來

潛水鳥類常以高速俯沖入水捕食。機器人也成功復現了這一行為：它以5米/秒的速度飛向水面，沖入水池后急速減速至0.5米/秒，承受約60倍重力加速度的沖擊力（圖3h、3i）。令人驚訝的是，無論入水瞬間機翼處于何種角度，甚至無論翅膀是否在撲動，機器人都能平穩完成從空中到水下的轉換，并隨即開始撲翼游泳。

盡管機器人在水下（18瓦/公斤）、空中巡航（74瓦/公斤）和躍水（190瓦/公斤）三個階段的單位質量功率消耗差異懸殊（圖3e），但它成功復現了潛水鳥類的完整行為鏈，為理解跨介質運動的物理極限和適應策略提供了前所未有的實驗依據。

圖3. 介質間過渡。 （A）機器人在自然湖泊中成功出水的序列圖像。（B）成功與失敗的出水軌跡對比，顯示了尾部產生下俯力矩并導致失敗的情況。（C）出水過程中機器人姿態角隨時間的變化。（D）出水后通過尾翼升降舵俯仰控制過渡到前向飛行的序列圖。（E）不同運動階段的質量歸一化功率。（F）撲翼產生的水動力推力示意圖，顯示機翼向下推水，將機體向上推離水面。（G）從水平游泳狀態直接啟動出水的演示序列。（H）機器人以5米/秒速度俯沖入水瞬間的序列圖像，顯示快速減速過程。（I）俯沖入水過程中速度和加速度的變化曲線。

▍展望：從生物啟示到未來機器人

這項研究不僅增進了我們對潛水鳥類生物力學的理解，也為未來跨介質機器人的設計指明了方向。柔性機翼的被動變形、機翼尺寸的合理權衡、尾部與出水角度的精確控制，都將成為設計“水空兩棲”機器人的關鍵原則。

從搜救監測到環境勘探，能夠在水空之間自如切換的機器人有著廣闊的應用前景。而這項研究的更大意義或許在于：通過“建造”來“理解”——我們用機器人復現了自然界的奇跡，也反過來讀懂了進化賦予鳥類的智慧（圖3g）。