STEAM技术前沿 | “半生物半机械” 登Science双刊

Posted 2021-04-03 星河创新院

自古以来，科学家们都在尝试给飞行机器加上 羽毛状的翅膀 。

但因为面板材料的限制，以及缺乏对鸟类背部翅膀骨骼和肌肉力学的深入了解，研究人员的种种努力都受到了极大制约。

但最近，这个目标实现了 。

斯坦福的在读博士生 Eric Chang 带领团队制造了一种半生物鸽子机器人—— PigeonBot 。

研究成果同时登上了 Science 和其子刊 Science Robotics （封面）。

半生物半机械机器人

为什么说这个PigeonBot是“ 半生物 ”的呢？

这是因为研究人员在制作它时，用了 40根鸽子的真羽毛 ， 将飞行机器人和这些真羽毛做了结合。

“鸽子机器人”重 280 克 ，翼展 80 厘米 ，和普通鸽子非常相似。

它使用电动马达和螺旋桨来产生推力。Eric 表示，这模仿了鸟类滑翔飞行的动力学，同时让研究团队能够拥有更长的飞行测试时间。

鸽子的羽毛则是通过人造的“ 弹性韧带 ”和“ 翅膀关节 ”连接。

这样的设计让这个鸽子机器人像真正的鸟类一样，以很小的半径进行稳定的转弯动作——这正是鸟类利用翅膀进行细微飞行操纵的一些基本证据。

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通过在风洞中对鸽子翅膀的研究，Eric 和团队成员确定了，人造机械关节可以很好地控制羽毛的位置、翼展、面积和长宽比。

PigeonBot让飞行机器人与真正鸟类的距离更近了一步。

重叠羽毛根部的秘密

这项研究主要的关注点在于鸟类飞行时， 羽毛中的奥秘 。

为了量化羽毛基部之间的弹性组织，是如何被动地协调飞行运动，工作人员首先对一只原鸽做了研究。

原鸽在变换不同的滑翔姿势时，翅膀的骨骼会发生变化，羽毛也会随之产生变化。

研究发现羽毛是通过近似线性转移函数重新分布的，这些转移函数将输入腕关节的角度映射到每个羽毛的角度。 斜率代表了羽毛角度对 腕角 的敏感度，相邻羽毛之间的斜率差异表明，相邻羽毛的运动是紧密地耦合在一起。

当研究人员用手分离2根重叠的羽毛，在飞行时，这两根羽毛会突然锁定在一个位置上，这就表明 羽毛之间是存在某种微结构 。

通过扫描电子显微镜和X射线显微镜，观察发现， 羽毛之间确实存在明显的紧固结构 。

鸽子飞行时，重叠的羽毛通过根部“定向紧固结构”锁在一起这种紧固结构不是概率性的，在重叠羽毛之间的根部，有几十到几百根“钩子”紧紧相连。就好比一种定向尼龙搭扣。

除此之外，还有一个非常有趣的发现。有些鸟类在飞行过程中是非常安静的，就像仓鸮(Tyto alba)，堪称“无声飞行者”。

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不同鸟类之间的对比研究，通过对比鸽子和仓鸮的羽毛，研究人员发现，仓鸮重叠羽毛之间的这种“定向尼龙搭扣”结构是较少的。

分离2根羽毛所产生的声音就不同。

对于接下来的研究，Eric 表示他们正努力地改进“鸽子机器人”的设计，以便能提高它的飞行性能和可操作性。

“我从小就喜欢所有能飞行的东西，也喜欢大自然；所以我沉迷于鸟类和飞行器的研究。”  Eric 说道。

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