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工業機器人

半生物半機械,“鴿子機器人”問世即登上Science雙刊,或將推動新型機翼誕生

  2020年01月17日  

  鳥類,以一種“細致入微”的方式控制著翅膀飛行,而這是目前人類制造的機器還無法做到的。

  不過,剛剛在Science和Science Robotics上分別發表的兩項最新研究中,同一組研究人員揭示了到底是“什么賦予了鳥類這種無與倫比的控制能力”。同一項研究的不同發現,在同一天登上Science及其子刊,足見期刊對其重視程度。

  這項研究,為人類能制造出像鳥類一樣,在空中靈活操縱的飛行機器人鋪平了道路。近二十年來,機器人領域的專家們一直在嘗試復制羽毛狀的機械翅膀。但因為使用的都是僵硬的面板材料,加之缺乏對鳥類背部翅膀高度可控、可變形的骨骼和肌肉學的深入了解,研究人員的種種努力都受到了極大制約。

圖|機械羽毛翅膀(來源:Eric Chang)

  在Science Robotics雜志上的這項研究,斯坦福大學的在讀博士生Eric Chang帶領團隊測試了正常鴿子的翅膀彎曲和伸展的運動學。他們將其理論發現應用于一個由40根鴿子羽毛制成翅膀的飛行器上,它被稱為“鴿子機器人(PigeonBot)”;鴿羽通過人造彈性韌帶與人造的翅膀關節相連。

  這個“鴿子機器人”重280克,翼展80厘米,和普通鴿子非常相似。它使用電動馬達和螺旋槳來產生推力。Eric表示,這模仿了鳥類滑翔飛行的動力學,同時讓研究團隊能夠擁有更長的飛行測試時間。

  而在Science雜志上,他的團隊成員Laura Matloff和同事們一起,研究了各種鳥類的單根羽毛之間的相互作用關系,并發現了鳥類翅膀變形背后的兩個主要力學機制——羽毛的被動重新分布,以及相鄰并重疊的羽毛是通過羽毛根部一個鉤狀微小關節固定在一起的。

圖|人造關節與鴿子羽毛的結構(來源:EricChang)

  通過在風洞中對鴿子翅膀的研究,Eric和團隊成員確定了,人造機械關節可以很好地控制羽毛的位置、翼展、面積和長寬比。

  在對“鴿子機器人”的飛行測試中,通過控制機械關節讓翅膀發生不對稱的運動,可以讓“鴿子機器人”以很小的半徑進行穩定的轉彎動作——這正是鳥類利用翅膀進行細微飛行操縱的一些基本證據。

動圖|“鴿子機器人”在滑翔中,2倍慢放(來源:Eric Chang)

動圖|“鴿子機器人”在空中通過收縮翅膀來轉彎、爬升等(來源:Eric Chang)

  對于怎樣想到開始這項研究的問題,Eric表示,最初他想著如今客機在機翼尾端的向上翹起、戰斗機的副翼,以及飛機起落架對長腿鳥類的仿生學設計已經達到了一定水平,但卻沒人詳細研究過鳥類在滑翔時對翅膀的細微操控。這也是因為用活著的鳥做測試是很難的。

  “因此,我們創建了一個有羽毛的、生物與機械混合,并且可以變換翅膀形態的機器人。它會盡可能地模仿鴿子的翅膀,以便人們可以系統地測試翅膀動作變化的工作原理,以及它能使鳥類做什么。”Erich說道,“這等于我們開發了一個可以研究鳥類翅膀動作的科學測試平臺。”

視頻 | Eric 和團隊進行飛行測試的回顧(來源:Eric Chang)

  Eric 表示:“在這項研究過程中遇到的最大挑戰——是要保證能多次對鴿子機器人進行飛行測試而不損壞,以便收集大量數據。因為設計并組裝出這一對機械與羽毛混合的翅膀要花費大量的精力,所以我們在做飛行測試時要非常謹慎,不能讓它墜毀。”

  “好在它安全地度過了幾天的飛行測試,讓我們收集到了足夠的數據。” 他補充道。

圖|飛行中的鴿子機器人(來源:Eric Chang)

  對于這項研究能帶來的更多影響,Eric詳細解釋道:“鴿子機器人的翅膀變形原理將啟發未來更多、更強健的翼型可變機器人,它們能夠駕馭更多的運動元素,同時又安全可靠。”

  “而且,我們用來連接的人造韌帶的彈性效果和運動表現非常好。這說明我們不需要單獨控制翅膀每一部分的獨立運動,而是考慮去構建一個更為安全可靠的、對被動動力學要求更少的機器,這也簡化了傳感器和控制算法的設計工作。傳統意義上,航空工程師設計飛機上的所有運動部件時,需要仔細考慮到它們每一個的具體位置。”

視頻|EricChang和LauraMatloff對機械羽毛翅膀進行風洞測試(來源:Eric Chang)

  Eric的團隊成員LauraMatloff在Science上發表的研究則更側重于基礎理論,就是通過對“鴿子機器人”多次試飛測試得到的數據進行分析,發現鳥類翅膀微操作的細節。同時,她還研究了不同鳥的羽毛在重疊和打開時候力道、聲音等控制問題。

動圖|機械羽毛翅膀的打開與收縮,5倍慢放(來源:Eric Chang)

  一個有趣的發現是,類似倉鸮這種“無聲飛行者”們,它們的翅膀開合很安靜;但有很多鳥類的翅膀開合是會發出很大聲響的,可以想象下一群鵝撲扇著翅膀向你走來。

  對于接下來的研究,Eric 表示他們正努力地改進“鴿子機器人”的設計,以便能提高它的飛行性能和可操作性。同時,還在考慮將這個“鴿子機器人”的羽毛控制技術,逐步轉移到其他不同品種的鳥類翅膀模擬上。

  他還表示,他們設計的在飛行中連接并控制羽毛之間變化的“定向尼龍搭扣(或者說人造翅膀關節)”,能為現代鳥類及其有翼祖先的進化過程提供參考信息。同時,這種設計還可能被用于時尚、醫療和航空航天等領域。

圖|研究團隊在實驗室中(來源:Eric Chang)

  Eric Chang是斯坦福大學的在讀博士,這已經是他博士學習生涯的第5年了。他表示,在未來畢業以后也會一直致力于通過鳥類來啟發飛行機器人的設計工作,并用計算機建模和組裝實體模型來進行測試,更深入地理解鳥類的飛行。

  目前,人們的飛行器,包括最常乘坐的客機基本都是固定機翼的。而 Eric Chang 和團隊的研究有望推動人類設計出擁有更靈活機翼的飛機。到那時,或許我們的飛機將變得更加智能、舒適且安全,真正地像鳥一樣可以在各種不同環境下自由地飛翔。

 

來源:文章來源于網絡

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