在自然界中近100种鸟类能够将飞行本领“延伸”到水下世界——它们既能在空中翱翔也能潜入水中捕食。然而空气密度约为水的千分之一这意味着鸟类在两种介质中扑动翅膀时所承受的力矩和所需的速度截然不同。它们如何在这两套“物理规则”之间无缝切换长期以来这一直是生物力学领域的一大谜题。传统的动物实验很难精确控制鸟类的行为而计算机模拟在面对翅膀的大幅度柔性变形以及水、气两相流耦合时也显得力不从心。不过麻省理工学院Raphael Zufferey博士团队打造了一款重250克的扑翼机器人成功复现了潜水鸟类“飞行—游泳—俯冲入水—跃水而出”的完整行为链图1a。相关论文以“Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings”为题发表在Science上。▍一台会飞、会游、会“起飞”的机器人这款机器人的设计灵感直接来源于潜水鸟类。它拥有修长的机身、对称的薄膜机翼以及一个可操控的尾翼图1e。更重要的是研究人员可以通过更换不同尺寸和刚度的机翼系统性地测试各种参数对性能的影响。潜水鸟类在水下扑翼时会通过翼部形变来减小载荷。受此启发这台机器人并未采用复杂的机翼折叠机构而是使用了超柔性机翼——其柔性比真实鸟类骨骼高出三到四个数量级。在水下扑动时机翼会被动弯曲有效缩小翼尖的行程和所受载荷。得益于此机器人能在高达6赫兹的频率下扑翼远超刚性机翼0.85赫兹的极限甚至高于其空中巡航所需的5.2赫兹频率。同时机器人被设计为中性浮力避免了像潜水鸟类那样需要额外消耗能量来对抗浮力图1d、1b。图1. 水空运动中的物理适配与机器人平台。 A潜水鸟类四种运动阶段的示意图空中飞行、水面滑行、水下游泳和俯冲入水。B本研究中机器人与潜水鸟类在空气和水中的扑翼频率范围对比。C理论所需频率比基于等比例缩放与实际观察到的生物频率比基于文献数据的差异。阴影区域表示围绕标称翼展88厘米的±10厘米变化范围。无刷电机的速度-扭矩曲线以虚线表示。该分析假定扑翼为正弦运动并由正向运动学验证。D机器人出水瞬间的前视照片。膜翼以60°幅值、10赫兹频率扑动尾部部分浸没即将离开水面。E本研究使用的机器人机身装配俯视渲染图。▍机翼尺寸的“取舍”天上要够大水里要够小为了探究翼展大小对性能的影响研究人员测试了小、中、大三组机翼图2a。风洞实验表明中型和大型机翼在6赫兹以上扑频时能产生足够的升力和推力而小型机翼则需要接近10赫兹才能产生有效推力图2d、2f。尽管功率消耗随翼展和频率增加而上升图2e但中、大型机翼在飞行和起飞任务中明显更胜一筹图2g。然而水下游泳测试却呈现了相反的趋势在5赫兹扑频下小型机翼以0.95米/秒的速度表现最佳中型为0.79米/秒大型仅为0.64米/秒图2k。这说明较大的机翼虽然能产生更大的推进力但随之而来的阻力也显著增加最终反而拖慢了速度。有趣的是电力消耗主要取决于扑翼频率而非机翼尺寸图2l而“运输成本”即单位距离的能耗在低频时最低且与机翼大小关系不大图2m。最终中等尺寸的机翼被证实是兼顾空中与水下性能的最佳折中选择。在实测中该构型的机器人室内飞行速度可达6.3米/秒图2h基于实测功率与速度数据推算单次充电可飞行约6公里或水平游泳约2公里图2数据。▍机翼刚度柔性是“妙招”太硬反而不行除了尺寸机翼刚度同样关键。研究人员在中型机翼上测试了五种不同刚度发现柔韧性较好的机翼在水下高频扑动时速度更快在低频时能耗更低而刚度太高的机翼会因电机负荷过大将最大可用频率限制在4.9赫兹。水下高速摄影证实柔性机翼可将翼尖振幅被动减少60%至90%从而将斯特劳哈尔数衡量推进效率的关键指标维持在最经济的0.2~0.4区间图2j、2k。可以说恰到好处的柔性让机器人在水中“游刃有余”。图2. 单一介质中的运动与性能。 A三组展弦比相同、半翼展分别为430毫米小、530毫米中和430毫米大的机翼。注原文图2a标注中大、中、小依次为430mm、530mm、330mm半翼展此处按原文顺序列出。B用于采集空中数据的风洞设备后视图气流速度6米/秒攻角20°。C扑翼机器人机身的特写。D不同频率下的升力值。E不同频率下的功率值。F不同频率下的推力即阻力的反向值。G无风起飞状态下的无量纲推力值。H室内环境中的扑翼飞行演示。IElliott等人24报道的动物游泳与飞行运输成本机器人数据取自最小巡航飞行状态和1赫兹游泳状态运输成本以电功率计。J机器人在游泳状态下的俯视图像。K光学追踪测得的不同翼展下的游泳速度SD表示标准差N4。L不同频率下的功率消耗SD表示标准差。M游泳时的运输成本。▍出水瞬间角度和尾巴一个都不能错对于潜水鸟类和机器人而言从水中跃向空中是最具挑战性的一环。研究人员在室内水池和自然湖泊中进行了大量跃水实验图3a结果发现尾部长度和出水角度是成败的关键。尾部过长时会在出水瞬间产生强大的下俯力矩将机器人重新拉回水中但如果没有尾部空中飞行又会变得不稳定。最终短尾设计被证明是最佳方案——它既能最大限度减少下俯力矩又能提供足够的俯仰控制图3b。出水角度同样需要“精准拿捏”小于55°时尾部容易造成下俯而失败接近垂直≥80°时虽然能腾空但容易进入倒退飞行并重新落水唯有70°左右的角度能确保成功率。出水后机器人通过尾翼升降舵调整姿态平稳过渡到前向飞行图3d。整个过程耗时不足1秒大约需要8到10次扑翼图3c但动能与势能增益相对于电能消耗的比例仅为1:40——也就是说跃水消耗的能量远超最终获得的机械能显示出这一过渡阶段的巨大能量代价图3e、3f。▍俯冲入水像炮弹一样扎进去然后稳稳游起来潜水鸟类常以高速俯冲入水捕食。机器人也成功复现了这一行为它以5米/秒的速度飞向水面冲入水池后急速减速至0.5米/秒承受约60倍重力加速度的冲击力图3h、3i。令人惊讶的是无论入水瞬间机翼处于何种角度甚至无论翅膀是否在扑动机器人都能平稳完成从空中到水下的转换并随即开始扑翼游泳。尽管机器人在水下18瓦/公斤、空中巡航74瓦/公斤和跃水190瓦/公斤三个阶段的单位质量功率消耗差异悬殊图3e但它成功复现了潜水鸟类的完整行为链为理解跨介质运动的物理极限和适应策略提供了前所未有的实验依据。图3. 介质间过渡。 A机器人在自然湖泊中成功出水的序列图像。B成功与失败的出水轨迹对比显示了尾部产生下俯力矩并导致失败的情况。C出水过程中机器人姿态角随时间的变化。D出水后通过尾翼升降舵俯仰控制过渡到前向飞行的序列图。E不同运动阶段的质量归一化功率。F扑翼产生的水动力推力示意图显示机翼向下推水将机体向上推离水面。G从水平游泳状态直接启动出水的演示序列。H机器人以5米/秒速度俯冲入水瞬间的序列图像显示快速减速过程。I俯冲入水过程中速度和加速度的变化曲线。▍展望从生物启示到未来机器人这项研究不仅增进了我们对潜水鸟类生物力学的理解也为未来跨介质机器人的设计指明了方向。柔性机翼的被动变形、机翼尺寸的合理权衡、尾部与出水角度的精确控制都将成为设计“水空两栖”机器人的关键原则。从搜救监测到环境勘探能够在水空之间自如切换的机器人有着广阔的应用前景。而这项研究的更大意义或许在于通过“建造”来“理解”——我们用机器人复现了自然界的奇迹也反过来读懂了进化赋予鸟类的智慧图3g。