潜鸟、海鸥、海鹦和海燕，是自然界中约100种既能飞行又能游泳的鸟类。这些潜水鸟能够俯冲入水追逐猎物，随后跃出水面继续翱翔。
受这些天生的水空两栖飞行家启发，麻省理工学院（MIT）与瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的工程师们联合设计出一款机器人，它能够在水下游泳，然后像潜水鸟一样扑翼跃出水面，继续在空中飞行。
这款"扑翼式空水两栖飞行器"（FAAV）重量不足300克（约半磅），旨在帮助科学家研究潜水鸟类在空气与水中飞行的力学机制。
机器人结构与测试
该机器人拥有一个中央机身（机体）、两个柔性扑翼以及一个可操控的尾部，翼和尾均可更换为不同尺寸。工程师们分别在水箱和附近湖泊中开展实验，找到了翼展尺寸、扑翼频率和尾部角度的最优组合，使机器人能够顺畅地从水中游动过渡到破水而出、跃入空中飞行。
相关研究成果已于近日发表在《科学》杂志上。研究人员认为，这一设计成果有助于科学家理解潜水鸟类如何调整飞行力学，以适应物理属性截然不同的空气与水两种介质。此外，该设计还有望开创一类全新的空水两栖无人机及飞行器。研究人员设想，这种有翼机器人未来可被部署于海洋学研究领域，飞抵传统船只难以安全到达的水域进行采样。
"我们的愿景是，让海洋学家、海洋生物学家和沿海社区的成员能够从船上或岸边放飞这款机器人，让它飞到目标区域附近——比如冰山、港口设施，或鲸鱼群上方，"MIT机械工程助理教授拉斐尔·祖弗里（Raphael Zufferey）说，"它可以潜入水中进行测量或采集样本，再飞回来传递数据，成本仅是传统方法的一小部分。之后还能再次出发，继续下潜采集。"
祖弗里是这项新研究的第一作者，合著者来自EPFL以及美国华盛顿州贝灵汉的西北印第安学院。
飞行力学研究
在MIT，祖弗里领导着AURA实验室，他和学生们以自然界生物力学为灵感，研发空中与水下飞行器。他们打造的机器人体型小巧，旨在不打扰生态环境的前提下，对海洋和水道的健康状况进行探索与监测。
在本次研究中，团队的目标是设计一款能在空中和水下均可飞行的飞行器。任何此类飞行器都必须适应两种截然不同的介质，并在两者之间完成切换。水的密度是空气的1000倍，在两种介质中运动所需的力学机制大相径庭——至少人们通常这样认为。
"要让过渡顺利完成，确实需要做出一些调整。但自然界中已经存在解决方案，"祖弗里说，"像海鹦这样的鸟类，能以极快的速度在空中飞行，也能以每秒3米的速度潜水游泳。它们能做到相当惊人的事情。所以我们知道这是可能的，只是还没有人在可移动的机器人系统中尝试过。"
为深入了解潜水鸟类的飞行方式，团队查阅了大量科学文献，汇总了关于海鹦、海燕、翠鸟等潜水鸟类的现有数据。他们发现，体型较小的鸟类在空中飞行时每秒扑翼约10次，在水中游泳时约每秒4次；体型较大的鸟类由于翼展更宽，在空气和水中的扑翼频率均略低一些。
在鸟类生物力学数据的指引下，团队研发出一款扑翼频率与真实潜水鸟类相近的有翼机器人。
从水到空的跃迁
这款新型机器人大体上与鸟类相似，拥有机身、两翼和尾部。机身内置电池和防水电动机，电动机驱动曲轴，带动双翼以预设频率上下扑动。翼面由薄膜制成，表面涂有疏水纳米颗粒，有助于快速甩去水分。尾部配有电动驱动装置，可调整角度以控制机器人爬升或俯冲。
研究人员制作并测试了三组不同尺寸的翼：小翼（翼展60厘米）、中翼（80厘米）和大翼（100厘米）。实验首先在小型水箱中进行，随后转至瑞士日内瓦湖开展测试。
测试时，研究人员将机器人置于水面以下约半米处，预先编程设定翼的扑动频率和尾部俯仰角度，随后观察在哪些条件下机器人能够顺利游向水面、跃出水体、进入空中飞行。
机器人在不同翼展、扑翼频率和尾部角度的组合下完成了多次飞行测试。总体而言，团队发现，搭载中等尺寸翼时，机器人能够可靠地完成飞行、游泳以及水空之间的过渡。翼的柔韧性至关重要——翼需要足够柔软，以减小在水中的扑翼幅度，同时又足够硬挺，以维持在空中的飞行高度。
研究人员还发现，当机器人以约5赫兹（每秒5次）的频率扑翼时，水中游速可接近每秒1米；以相近频率扑翼时，空中飞速可达约每秒6米。这些速度和扑翼频率与真实潜水鸟类非常接近。
为实现从水到空的跃迁，他们发现机器人的俯仰角应设为70度——这一较陡的角度能确保翼尖在向上扑动跃出水面时不会触及水面。若角度再陡，机器人则会向后倒回水中。
有趣的是，这一翼展、扑翼频率与尾部俯仰角的组合，使机器人能够在水下游动、跃出水面并飞行，而无需许多潜水鸟类所必须借助的脚蹼。海鹦、鸭子等鸟类从水面起飞时，通常需要用脚蹼划水，同时扑翼并调整尾部角度。令人惊讶的是，祖弗里和同事发现，至少在机器人领域，从水中跃飞的动作并不一定需要划水动作。
"观察鸟类可以发现，大多数鸟类从水面起飞时都需要用脚蹼划水。问题是，机器人是否也需要这样？结果表明，并不需要，"祖弗里说。
未来展望与应用前景
接下来，团队将改进翼部设计，使其除上下扑动外还能实现转向。他们还将在湍流条件下测试机器人的性能，例如在波涛汹涌的水面起飞以及在强风中飞行。此后，他们希望将这款飞行器实际部署，用于解答海洋科学领域的诸多问题。
"海洋科学面临的重大挑战之一，是如何在多个地点频繁采集数据，而这正是这款机器人未来可能实现的，"祖弗里说，"你可以不只每周一次，而是每小时就派出它。它能高速飞出、潜入水中、飞回来传递数据，然后再次出发，反复循环。"
本研究部分得到了玛丽·居里行动奖学金资助。
Q&A
Q1：这款扑翼式空水两栖飞行器（FAAV）是如何实现从水中跃入空中的？
A：机器人需要将尾部俯仰角设置为70度，配合中等尺寸翼和约每秒5次的扑翼频率，即可顺利从水中跃出进入空中飞行。这一较陡的角度能防止翼尖在扑动时触及水面，而且研究人员发现，机器人无需像海鹦等鸟类那样用脚蹼划水辅助起飞，仅靠扑翼和尾部控制就能完成水空过渡。
Q2：FAAV机器人在水中和空中分别能达到多快的速度？
A：根据测试结果，机器人以约每秒5次的扑翼频率飞行时，水中游速接近每秒1米，空中飞速约为每秒6米。这与真实潜水鸟类（如海鹦）的速度和扑翼频率非常接近，验证了仿生设计的有效性。
Q3：FAAV机器人未来有哪些实际应用场景？
A：研究团队设想将其用于海洋学研究，例如飞抵冰山、港口或鲸鱼群附近，潜入水中采集数据或样本后飞回传递信息，成本远低于传统方法。未来还可实现高频次、多地点的海洋数据采集，甚至每小时出动一次，极大提升海洋监测的效率和覆盖范围。
