潛鳥、海鷗、海鸚和海燕，是自然界中約100種既能飛行又能游泳的鳥類。這些潛水鳥能夠俯衝入水追逐獵物，隨後躍出水面繼續翱翔。
受這些天生的水空兩棲飛行家啟發，麻省理工學院（MIT）與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的工程師們聯合設計出一款機器人，它能夠在水下游泳，然後像潛水鳥一樣撲翼躍出水面，繼續在空中飛行。
這款"撲翼式空水兩棲飛行器"（FAAV）重量不足300克（約半磅），旨在幫助科學家研究潛水鳥類在空氣與水中飛行的力學機制。
機器人結構與測試
該機器人擁有一個中央機身（機體）、兩個柔性撲翼以及一個可操控的尾部，翼和尾均可更換為不同尺寸。工程師們分別在水箱和附近湖泊中開展實驗，找到了翼展尺寸、撲翼頻率和尾部角度的最優組合，使機器人能夠順暢地從水中遊動過渡到破水而出、躍入空中飛行。
相關研究成果已於近日發表在《科學》雜誌上。研究人員認為，這一設計成果有助於科學家理解潛水鳥類如何調整飛行力學，以適應物理屬性截然不同的空氣與水兩種介質。此外，該設計還有望開創一類全新的空水兩棲無人機及飛行器。研究人員設想，這種有翼機器人未來可被部署於海洋學研究領域，飛抵傳統船隻難以安全到達的水域進行採樣。
"我們的願景是，讓海洋學家、海洋生物學家和沿海社區的成員能夠從船上或岸邊放飛這款機器人，讓它飛到目標區域附近——比如冰山、港口設施，或鯨魚群上方，"MIT機械工程助理教授拉斐爾·祖弗里（Raphael Zufferey）說，"它可以潛入水中進行測量或採集樣本，再飛回來傳遞數據，成本僅是傳統方法的一小部分。之後還能再次出發，繼續下潛採集。"
祖弗里是這項新研究的第一作者，合著者來自EPFL以及美國華盛頓州貝靈漢的西北印第安學院。
飛行力學研究
在MIT，祖弗里領導著AURA實驗室，他和學生們以自然界生物力學為靈感，研發空中與水下飛行器。他們打造的機器人體型小巧，旨在不打擾生態環境的前提下，對海洋和水道的健康狀況進行探索與監測。
在本次研究中，團隊的目標是設計一款能在空中和水下均可飛行的飛行器。任何此類飛行器都必須適應兩種截然不同的介質，並在兩者之間完成切換。水的密度是空氣的1000倍，在兩種介質中運動所需的力學機制大相徑庭——至少人們通常這樣認為。
"要讓過渡順利完成，確實需要做出一些調整。但自然界中已經存在解決方案，"祖弗里說，"像海鸚這樣的鳥類，能以極快的速度在空中飛行，也能以每秒3米的速度潛水游泳。它們能做到相當驚人的事情。所以我們知道這是可能的，只是還沒有人在可移動的機器人系統中嘗試過。"
為深入了解潛水鳥類的飛行方式，團隊查閱了大量科學文獻，匯總了關於海鸚、海燕、翠鳥等潛水鳥類的現有數據。他們發現，體型較小的鳥類在空中飛行時每秒撲翼約10次，在水中游泳時約每秒4次；體型較大的鳥類由於翼展更寬，在空氣和水中的撲翼頻率均略低一些。
在鳥類生物力學數據的指引下，團隊研發出一款撲翼頻率與真實潛水鳥類相近的有翼機器人。
從水到空的躍遷
這款新型機器人大體上與鳥類相似，擁有機身、兩翼和尾部。機身內置電池和防水電動機，電動機驅動曲軸，帶動雙翼以預設頻率上下撲動。翼面由薄膜製成，表面塗有疏水納米顆粒，有助於快速甩去水分。尾部配有電動驅動裝置，可調整角度以控制機器人爬升或俯衝。
研究人員製作並測試了三組不同尺寸的翼：小翼（翼展60厘米）、中翼（80厘米）和大翼（100厘米）。實驗首先在小型水箱中進行，隨後轉至瑞士日內瓦湖開展測試。
測試時，研究人員將機器人置於水面以下約半米處，預先編程設定翼的撲動頻率和尾部俯仰角度，隨後觀察在哪些條件下機器人能夠順利游向水面、躍出水體、進入空中飛行。
機器人在不同翼展、撲翼頻率和尾部角度的組合下完成了多次飛行測試。總體而言，團隊發現，搭載中等尺寸翼時，機器人能夠可靠地完成飛行、游泳以及水空之間的過渡。翼的柔韌性至關重要——翼需要足夠柔軟，以減小在水中的撲翼幅度，同時又足夠硬挺，以維持在空中的飛行高度。
研究人員還發現，當機器人以約5赫茲（每秒5次）的頻率撲翼時，水中游速可接近每秒1米；以相近頻率撲翼時，空中飛速可達約每秒6米。這些速度和撲翼頻率與真實潛水鳥類非常接近。
為實現從水到空的躍遷，他們發現機器人的俯仰角應設為70度——這一較陡的角度能確保翼尖在向上撲動躍出水面時不會觸及水面。若角度再陡，機器人則會向後倒回水中。
有趣的是，這一翼展、撲翼頻率與尾部俯仰角的組合，使機器人能夠在水下遊動、躍出水面並飛行，而無需許多潛水鳥類所必須藉助的腳蹼。海鸚、鴨子等鳥類從水面起飛時，通常需要用腳蹼划水，同時撲翼並調整尾部角度。令人驚訝的是，祖弗里和同事發現，至少在機器人領域，從水中躍飛的動作並不一定需要划水動作。
"觀察鳥類可以發現，大多數鳥類從水面起飛時都需要用腳蹼划水。問題是，機器人是否也需要這樣？結果表明，並不需要，"祖弗里說。
未來展望與應用前景
接下來，團隊將改進翼部設計，使其除上下撲動外還能實現轉向。他們還將在湍流條件下測試機器人的性能，例如在波濤洶湧的水面起飛以及在強風中飛行。此後，他們希望將這款飛行器實際部署，用於解答海洋科學領域的諸多問題。
"海洋科學面臨的重大挑戰之一，是如何在多個地點頻繁採集數據，而這正是這款機器人未來可能實現的，"祖弗里說，"你可以不只每周一次，而是每小時就派出它。它能高速飛出、潛入水中、飛回來傳遞數據，然後再次出發，反覆循環。"
本研究部分得到了瑪麗·居里行動獎學金資助。
Q&A
Q1：這款撲翼式空水兩棲飛行器（FAAV）是如何實現從水中躍入空中的？
A：機器人需要將尾部俯仰角設置為70度，配合中等尺寸翼和約每秒5次的撲翼頻率，即可順利從水中躍出進入空中飛行。這一較陡的角度能防止翼尖在撲動時觸及水面，而且研究人員發現，機器人無需像海鸚等鳥類那樣用腳蹼划水輔助起飛，僅靠撲翼和尾部控制就能完成水空過渡。
Q2：FAAV機器人在水中和空中分別能達到多快的速度？
A：根據測試結果，機器人以約每秒5次的撲翼頻率飛行時，水中游速接近每秒1米，空中飛速約為每秒6米。這與真實潛水鳥類（如海鸚）的速度和撲翼頻率非常接近，驗證了仿生設計的有效性。
Q3：FAAV機器人未來有哪些實際應用場景？
A：研究團隊設想將其用於海洋學研究，例如飛抵冰山、港口或鯨魚群附近，潛入水中採集數據或樣本後飛回傳遞資訊，成本遠低於傳統方法。未來還可實現高頻次、多地點的海洋數據採集，甚至每小時出動一次，極大提升海洋監測的效率和覆蓋範圍。
