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半生物半机械,“鸽子机器人”问世即登上Science双刊,或将推动新型机翼诞生 | 独家专访

鸟类,以一种“细致入微”的方式控制着翅膀飞行,而这是目前人类制造的机器还无法做到的。 不过,刚刚在 Science 和 Science Robotics 上分别发表的两项最新研究中…


鸟类,以一种“细致入微”的方式控制着翅膀飞行,而这是目前人类制造的机器还无法做到的。


不过,刚刚在 Science Science Robotics 上分别发表的两项最新研究中,同一组研究人员揭示了到底是“什么赋予了鸟类这种无与伦比的控制能力”。同一项研究的不同发现,在同一天登上 Science 及其子刊,足见期刊对其重视程度。


这项研究,为人类能制造出像鸟类一样,在空中灵活操纵的飞行机器人铺平了道路。


近二十年来,机器人领域的专家们一直在尝试复制羽毛状的机械翅膀。但因为使用的都是僵硬的面板材料,加之缺乏对鸟类背部翅膀高度可控、可变形的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。


图 | 机械羽毛翅膀(来源:Eric Chang)


Science Robotics 杂志上的这项研究,斯坦福大学的在读博士生 Eric Chang 带领团队测试了正常鸽子的翅膀弯曲和伸展的运动学。他们将其理论发现应用于一个由 40 根鸽子羽毛制成翅膀的飞行器上,它被称为“鸽子机器人(PigeonBot)”;鸽羽通过人造弹性韧带与人造的翅膀关节相连。


这个“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。


而在 Science 杂志上,他的团队成员 Laura Matloff 和同事们一起,研究了各种鸟类的单根羽毛之间的相互作用关系,并发现了鸟类翅膀变形背后的两个主要力学机制——羽毛的被动重新分布,以及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。


图 | 人造关节与鸽子羽毛的结构(来源:Eric Chang)


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。


在对“鸽子机器人”的飞行测试中,通过控制机械关节让翅膀发生不对称的运动,可以让“鸽子机器人”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。


动图 | “鸽子机器人”在滑翔中,2 倍慢放(来源:Eric Chang) 


动图 | “鸽子机器人”在空中通过收缩翅膀来转弯、爬升等(来源:Eric Chang)


对于怎样想到开始这项研究的问题,Eric 对 DeepTech 表示,最初他想着如今客机在机翼尾端的向上翘起、战斗机的副翼,以及飞机起落架对长腿鸟类的仿生学设计已经达到了一定水平,但却没人详细研究过鸟类在滑翔时对翅膀的细微操控。这也是因为用活着的鸟做测试是很难的。


因此,我们创建了一个有羽毛的、生物与机械混合,并且可以变换翅膀形态的机器人。它会尽可能地模仿鸽子的翅膀,以便人们可以系统地测试翅膀动作变化的工作原理,以及它能使鸟类做什么。” Erich 说道,“这等于我们开发了一个可以研究鸟类翅膀动作的科学测试平台。


视频 | Eric 和团队进行飞行测试的回顾(来源:Eric Chang)


Eric 表示:“在这项研究过程中遇到的最大挑战——是要保证能多次对鸽子机器人进行飞行测试而不损坏,以便收集大量数据。因为设计并组装出这一对机械与羽毛混合的翅膀要花费大量的精力,所以我们在做飞行测试时要非常谨慎,不能让它坠毁。”


“好在它安全地度过了几天的飞行测试,让我们收集到了足够的数据。” 他补充道。


图 | 飞行中的鸽子机器人(来源:Eric Chang)


对于这项研究能带来的更多影响,Eric 对 DeepTech 详细解释道:“鸽子机器人的翅膀变形原理将启发未来更多、更强健的翼型可变机器人,它们能够驾驭更多的运动元素,同时又安全可靠。”


“而且,我们用来连接的人造韧带的弹性效果和运动表现非常好。这说明我们不需要单独控制翅膀每一部分的独立运动,而是考虑去构建一个更为安全可靠的、对被动动力学要求更少的机器,这也简化了传感器和控制算法的设计工作。传统意义上,航空工程师设计飞机上的所有运动部件时,需要仔细考虑到它们每一个的具体位置。”


视频 | Eric Chang 和 Laura Matloff 对机械羽毛翅膀进行风洞测试(来源:Eric Chang)


Eric 的团队成员 Laura Matloff 在 Science 上发表的研究则更侧重于基础理论,就是通过对“鸽子机器人”多次试飞测试得到的数据进行分析,发现鸟类翅膀微操作的细节。同时,她还研究了不同鸟的羽毛在重叠和打开时候力道、声音等控制问题。


动图 | 机械羽毛翅膀的打开与收缩,5 倍慢放(来源:Eric Chang)


一个有趣的发现是,类似仓鸮这种“无声飞行者”们,它们的翅膀开合很安静;但有很多鸟类的翅膀开合是会发出很大声响的,可以想象下一群鹅扑扇着翅膀向你走来。


视频 | 两种翅膀在做相应的力学实验,注意有声音(来源:Eric Chang)


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。同时,还在考虑将这个“鸽子机器人”的羽毛控制技术,逐步转移到其他不同品种的鸟类翅膀模拟上。


他还表示,他们设计的在飞行中连接并控制羽毛之间变化的“定向尼龙搭扣(或者说人造翅膀关节)”,能为现代鸟类及其有翼祖先的进化过程提供参考信息。同时,这种设计还可能被用于时尚、医疗和航空航天等领域。


图 | 研究团队在实验室中(来源:Eric Chang)


Eric Chang 是斯坦福大学的在读博士,这已经是他博士学习生涯的第 5 年了。他表示,在未来毕业以后也会一直致力于通过鸟类来启发飞行机器人的设计工作,并用计算机建模和组装实体模型来进行测试,更深入地理解鸟类的飞行。


“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。


他提供给 DeepTech 的生活照,选了一张自己在学习驯鹰术(放鹰捕猎之类)时的照片。而且,可能是担心没有自己的正脸,他还提供了一张常规的大头照,但鉴于图片太多就没有放出来了。


图 | Eric Chang 训鹰时候的照片(来源:Eric Chang)


目前,人们的飞行器,包括最常乘坐的客机基本都是固定机翼的。而 Eric Chang 和团队的研究有望推动人类设计出拥有更灵活机翼的飞机。到那时,或许我们的飞机将变得更加智能、舒适且安全,真正地像鸟一样可以在各种不同环境下自由地飞翔。


-End-

参考:
[1]”Soft biohybrid morphing wings with feathers underactuated by wrist and finger motion,” by E. Chang; L. Matloff; A. Stowers; D. Lentink at Stanford University in Stanford, CA.
[2]”How flight feathers stick together to form a continuous morphing wing,” by L.Y. Matloff; E. Chang; L. Jeffries; A.K. Stowers; C. Thomson; D. Lentink at Stanford University in Stanford, CA; T.J. Feo at Smithsonian Institution, National Museum of Natural History in Washington, DC; T.J. Feo at California Council on Science and Technology in Sacramento, CA.
[3]http://www.changeric.com/
[4]https://www.digitaltrends.com/cool-tech/stanford-students-design-delivery-drones/
[5]https://stanford.rimeto.io/profile/32489:1001:489d4


本篇文章来源于微信公众号: DeepTech深科技

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