鸽子随处可见,它们甚至获得了“长着翅膀的老鼠”这样的城市绰号。但它们至少有一点优势:它们是强壮、肌肉发达的飞行者,天生就适合应对在建筑物之间吹拂的阵风。
如今,工程师们正通过在飞行机器人上添加鸽子飞羽来进行相关研究。由此产生的融合体,自然被称为“鸽子机器人”(PigeonBot)。
鸽子机器人巧妙地将传统的飞行器久经考验的元素与进化论久经考验的元素结合起来。该项目的研究人员并不是试图制造一种像鸟一样扇动翅膀的机器,从工程学的角度来看,这样做会困难得多;他们利用生物与机械的混合体来了解鸟类是如何飞行的。
“我真的很想了解鸟类是如何改变它们翅膀的形状的,”斯坦福大学机械工程学副教授、新研究的合著者 David Lentink 说,这项研究发表在《科学机器人学》(Science Robotics)杂志上。
一个螺旋桨将鸽子机器人拉向天空,机身和尾部则像你在普通的模型飞机或商用客机上看到的那样构成机身。当然,不同之处在于翅膀,每侧翅膀上有20根羽毛。(它们是白色的,因为它们来自被称为“乳鸽”(squab)的食用级鸽子。)为了将羽毛固定在人造翅膀上,工程师们使用了牙科橡皮筋。
为了控制机器人,Lentink 的团队为鸽子机器人配备了电机——每侧一对——可以在两个不同的关节处调整每个人造翅膀和连接的飞羽。然后,研究人员可以使用遥控器移动翅膀,使机器人鸟转弯和倾斜。这模仿了真正的鸽子在空中控制其轨迹的方式,尽管机器人的翅膀不像真正的鸟类那样拥有所有可移动的关节和自由度。
“我们发现鸟类仅凭‘手指’就能转向,”Lentink 说。事实上,鸟类的翅膀和人类的手臂在基本结构上有一些相似之处:例如,翅膀有肱骨、桡骨和尺骨。在翅膀的尖端,它们有像手指一样的结构,可以移动大约30度,通过微妙的动作控制飞行。
在研究鸽子机器人时,Lentink 和他的学生们了解了将生物材料与机器人技术相结合的细微之处。他认为,事后看来显而易见的一项发现是,“你不能在机器人上随意更换不同个体的羽毛”。换句话说,当它的羽毛都来自同一只鸟时,鸽子机器人的效果最好。
将羽毛融入飞行器也需要一些独特的维护。“如果它们变乱了,你可以给它们‘梳理’,”他说。他指的是用手抚平它们,这与鸟类梳理自己的方式不同——鸟类用喙将一种油涂抹在羽毛上,以增强其强度和防水性。
这种独特的带羽毛的机器和实际飞机之间也存在一些相似之处;商用和军用飞机在一定程度上也会在飞行中改变机翼的形状。例如,在起飞和降落期间,像波音747这样的客机的飞行员会伸出机翼上的襟翼和缝翼以产生更大的升力,而像副翼这样的移动表面则允许飞机倾斜和转弯。然后还有F-14“雄猫”,美国已不再使用它——它拥有机械结构复杂的机翼,可以在飞行中改变位置,向前或向后。但这些都无法与真正鸟类以其自然的灵活性进行飞翔、扇动和调整翅膀相提并论。
尽管如此,Lentink 确信未来的飞机可以利用变形机翼——也许是机翼的某个部分以某种方式弯曲——通过借鉴鸽子和其他鸟类的经验。
“你不会看到像我们的机器人那样的带羽毛的飞机,”他说,“但你会在其中发现具有相似特性的智能材料,它们更能适应工程学的限制,并比目前的飞机更能实现鸟类所能做到的事情。”