半鳥半機！斯坦福打造鴿子機器人，原來飛行的秘密藏在羽毛里 | Science

十三 2020-01-17 12:42:40 來源：量子位

十三 發(fā)自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

我們都知道鳥類的飛行能力，主要靠的是一對翅膀。

但其實，它們的羽毛在飛行過程中，也是起到了至關(guān)重要的作用。

這也是人們一直在探索，卻困擾良久的問題——無法高度復(fù)刻精細(xì)的羽毛狀翅膀。

剛剛，斯坦福的研究人員制造了一種半生物鴿子機器人——PigeonBot。

并提出了一些新的研究成果，準(zhǔn)確地了解了鳥類如何通過改變翅膀的形狀來維持、控制飛行。

通過研究這種半生物鴿子機器人，他們發(fā)現(xiàn)了鳥類在飛行時，關(guān)于羽毛的2個秘密：

每當(dāng)翅膀變動時，由于羽毛基部的彈性締結(jié)組織具有順應(yīng)性，羽毛會被動地重新分布。

為了防止羽毛之間的縫隙太大，相鄰羽毛間具有鉤狀微結(jié)構(gòu)。

研究還同時登上了Science和其子刊Science Robotics(封面)。

通訊作者David Lentink表示：

盡管這一研究需要更多的測試和實驗，但給了航空航天工程師們一些靈感，根據(jù)鳥類的飛行，可以跳出研究的常規(guī)思維。

東北大學(xué)(Northeastern University)教授Alireza Ramezani評價道：

這項研究讓人印象深刻。這標(biāo)志著未來的無人機設(shè)計，可能會遠(yuǎn)離固定翼或旋轉(zhuǎn)翼技術(shù)。

所以這就是一個如何神奇的鴿子機器人？

PigeonBot——半生物飛行機器人

為什么說這個PigeonBot是“半生物”的呢？

這是因為研究人員在制作它時，用了40根鴿子的真羽毛。

也就是說，將飛行機器人和這些真羽毛做了結(jié)合。

其重量為280克，翅膀展開長度為80厘米。

鴿子的羽毛通過人造的“彈性韌帶”和“翅膀關(guān)節(jié)”連接。

通過這樣的設(shè)計，可以很好的控制翅膀、羽毛的位置。

就可以讓這個鴿子機器人，像真正的鳥類一樣，以很小的半徑進行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)彎動作。

PigeonBot讓飛行機器人，與真正鳥類的距離更近了一步。

重疊羽毛根部的秘密

正如剛才提到的，這項研究主要的關(guān)注點在于鳥類飛行時，羽毛中的奧秘。

為了量化羽毛基部之間的彈性組織，是如何被動地協(xié)調(diào)飛行運動，工作人員首先對一只原鴿(Columba livia)做了研究。

△圖1

原鴿在變換不同的滑翔姿勢時，翅膀的骨骼會發(fā)生變化，羽毛也會隨之產(chǎn)生變化(圖1.A和圖1.B)。

研究發(fā)現(xiàn)羽毛是通過近似線性轉(zhuǎn)移函數(shù)重新分布的，這些轉(zhuǎn)移函數(shù)將輸入腕關(guān)節(jié)的角度映射到每個羽毛的角度(圖1.C和圖1.D)。

斜率代表了羽毛角度對腕角的敏感度，相鄰羽毛之間的斜率差異表明，相鄰羽毛的運動是緊密地耦合在一起(圖1.E和圖1.F)。

當(dāng)研究人員用手分離2根重疊的羽毛，在飛行時，這兩根羽毛會突然鎖定在一個位置上，這就表明羽毛之間是存在某種微結(jié)構(gòu)。

通過掃描電子顯微鏡和X射線顯微鏡，觀察發(fā)現(xiàn)，羽毛之間確實存在明顯的緊固結(jié)構(gòu)。

△圖2：鴿子飛行時，重疊的羽毛通過根部“定向緊固結(jié)構(gòu)”鎖在一起

這種緊固結(jié)構(gòu)不是概率性的，在重疊羽毛之間的根部，有幾十到幾百根“鉤子”緊緊相連。

就好比一種定向尼龍搭扣。

正如Lentink所說：

一旦羽毛分開得太遠(yuǎn)，它們之間的這些顯微結(jié)構(gòu)就會把它們鎖在一起，形成一個縫隙。這真的很壯觀。

除此之外，還有一個非常有趣的發(fā)現(xiàn)。

有些鳥類在飛行過程中是非常安靜的，就像倉鸮(Tyto alba)，堪稱“無聲飛行者”。

△圖3：不同鳥類之間的對比研究

通過對比鴿子和倉鸮的羽毛，研究人員發(fā)現(xiàn)，倉鸮重疊羽毛之間的這種“定向尼龍搭扣”結(jié)構(gòu)是較少的。

分離2根羽毛所產(chǎn)生的聲音就不同。

作者介紹

△Laura Y. Matloff

Laura Y. Matloff，2013年獲得MIT理學(xué)學(xué)士學(xué)位，機械工程專業(yè)；2016年獲得斯坦福理學(xué)碩士學(xué)位，機械工程專業(yè)。

主要關(guān)注以鳥類為靈感的變形翼機器人的項目設(shè)計和制造。

△Eric Chang

Eric Chang，斯坦福大學(xué)機械工程系在讀博士生。

2015年獲得亞利桑那州立大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，機械工程專業(yè)；2017年獲得斯坦福大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位，機械工程專業(yè)。

△Lindsie Jeffries

Lindsie Jeffries，2017年獲得亞利桑那州立大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位，生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)。

最后，這項酷酷的研究也引發(fā)了一些討論。

有人覺得從生物學(xué)中尋找交叉靈感很有創(chuàng)意，也有人想法大膽，覺得未來可以設(shè)計出“人造翅膀”。

不知道你想到了什么？

傳送門

Science：https://science.sciencemag.org/content/367/6475/293/tab-pdf

Science Robotics：https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay1246

IEEE Spectrum：https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/drones/pigeonbot-uses-real-feathers-to-explore-how-birds-fly