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
- 2020 年 2 月 14 日
- 筆記
十三 發自 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——無法高度復刻精細的羽毛狀翅膀。
剛剛，斯坦福的研究人員製造了一種半生物鴿子機器人——PigeonBot。
並提出了一些新的研究成果，準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，他們發現了鳥類在飛行時，關於羽毛的2個秘密：
每當翅膀變動時，由於羽毛基部的彈性締結組織具有順應性，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構。
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：
儘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，根據鳥類的飛行，可以跳出研究的常規思維。
東北大學(Northeastern University)教授Alireza Ramezani評價道：
這項研究讓人印象深刻。這標誌著未來的無人機設計，可能會遠離固定翼或旋轉翼技術。
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
為什麼說這個PigeonBot是「半生物」的呢？
這是因為研究人員在製作它時，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「翅膀關節」連接。
通過這樣的設計，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定的轉彎動作。
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，這項研究主要的關注點在於鳥類飛行時，羽毛中的奧秘。
為了量化羽毛基部之間的彈性組織，是如何被動地協調飛行運動，工作人員首先對一隻原鴿(Columba livia)做了研究。
△圖1
原鴿在變換不同的滑翔姿勢時，翅膀的骨骼會發生變化，羽毛也會隨之產生變化(圖1.A和圖1.B)。
研究發現羽毛是通過近似線性轉移函數重新分布的，這些轉移函數將輸入腕關節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構。
通過掃描電子顯微鏡和X射線顯微鏡，觀察發現，羽毛之間確實存在明顯的緊固結構。
△圖2：鴿子飛行時，重疊的羽毛通過根部「定向緊固結構」鎖在一起
這種緊固結構不是概率性的，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，它們之間的這些顯微結構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現。
有些鳥類在飛行過程中是非常安靜的，就像倉鴞(Tyto alba)，堪稱「無聲飛行者」。
△圖3：不同鳥類之間的對比研究
通過對比鴿子和倉鴞的羽毛，研究人員發現，倉鴞重疊羽毛之間的這種「定向尼龍搭扣」結構是較少的。
分離2根羽毛所產生的聲音就不同。
作者介紹
△Laura Y. Matloff
Laura Y. Matloff，2013年獲得MIT理學學士學位，機械工程專業；2016年獲得斯坦福理學碩士學位，機械工程專業。
主要關注以鳥類為靈感的變形翼機器人的項目設計和製造。
△Eric Chang
Eric Chang，斯坦福大學機械工程系在讀博士生。
2015年獲得亞利桑那州立大學理學學士學位，機械工程專業；2017年獲得斯坦福大學理學碩士學位，機械工程專業。
△Lindsie Jeffries
Lindsie Jeffries，2017年獲得亞利桑那州立大學理學學士學位，生物醫學工程專業。
最後，這項酷酷的研究也引發了一些討論。
有人覺得從生物學中尋找交叉靈感很有創意，也有人想法大膽，覺得未來可以設計出「人造翅膀」。
不知道你想到了什麼？
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
作者系網易新聞·網易號「各有態度」簽約作者
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