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半鸟半机!斯坦福打造鸽子机器人,原来飞行的秘密藏在羽毛里 | Science

十三 发自 凹非寺 量子位 报道 | 公众号 QbitAI

我们都知道鸟类的飞行能力,主要靠的是一对翅膀。

但其实,它们的羽毛在飞行过程中,也是起到了至关重要的作用。

这也是人们一直在探索,却困扰良久的问题——无法高度复刻精细的羽毛状翅膀。

刚刚,斯坦福的研究人员制造了一种半生物鸽子机器人——PigeonBot

并提出了一些新的研究成果,准确地了解了鸟类如何通过改变翅膀的形状来维持、控制飞行

通过研究这种半生物鸽子机器人,他们发现了鸟类在飞行时,关于羽毛的2个秘密

每当翅膀变动时,由于羽毛基部的弹性缔结组织具有顺应性,羽毛会被动地重新分布。 为了防止羽毛之间的缝隙太大,相邻羽毛间具有钩状微结构。

研究还同时登上了Science和其子刊Science Robotics(封面)

通讯作者David Lentink表示:

尽管这一研究需要更多的测试和实验,但给了航空航天工程师们一些灵感,根据鸟类的飞行,可以跳出研究的常规思维。

东北大学(Northeastern University)教授Alireza Ramezani评价道:

这项研究让人印象深刻。这标志着未来的无人机设计,可能会远离固定翼或旋转翼技术。

所以这就是一个如何神奇的鸽子机器人?

PigeonBot——半生物飞行机器人

为什么说这个PigeonBot是“半生物”的呢?

这是因为研究人员在制作它时,用了40根鸽子的真羽毛。

也就是说,将飞行机器人和这些真羽毛做了结合。

其重量为280克,翅膀展开长度为80厘米

鸽子的羽毛通过人造的“弹性韧带”和“翅膀关节”连接。

通过这样的设计,可以很好的控制翅膀、羽毛的位置。

就可以让这个鸽子机器人,像真正的鸟类一样,以很小的半径进行稳定的转弯动作

PigeonBot让飞行机器人,与真正鸟类的距离更近了一步。

重叠羽毛根部的秘密

正如刚才提到的,这项研究主要的关注点在于鸟类飞行时,羽毛中的奥秘。

为了量化羽毛基部之间的弹性组织,是如何被动地协调飞行运动,工作人员首先对一只原鸽(Columba livia)做了研究。

图1

原鸽在变换不同的滑翔姿势时,翅膀的骨骼会发生变化,羽毛也会随之产生变化(图1.A和图1.B)。

研究发现羽毛是通过近似线性转移函数重新分布的,这些转移函数将输入腕关节的角度映射到每个羽毛的角度(图1.C和图1.D)。

斜率代表了羽毛角度对腕角的敏感度,相邻羽毛之间的斜率差异表明,相邻羽毛的运动是紧密地耦合在一起(图1.E和图1.F)。

当研究人员用手分离2根重叠的羽毛,在飞行时,这两根羽毛会突然锁定在一个位置上,这就表明羽毛之间是存在某种微结构

通过扫描电子显微镜和X射线显微镜,观察发现,羽毛之间确实存在明显的紧固结构。

图2:鸽子飞行时,重叠的羽毛通过根部“定向紧固结构”锁在一起

这种紧固结构不是概率性的,在重叠羽毛之间的根部,有几十到几百根“钩子”紧紧相连。

就好比一种定向尼龙搭扣

正如Lentink所说:

一旦羽毛分开得太远,它们之间的这些显微结构就会把它们锁在一起,形成一个缝隙。这真的很壮观。

除此之外,还有一个非常有趣的发现。

有些鸟类在飞行过程中是非常安静的,就像仓鸮(Tyto alba),堪称“无声飞行者”。

图3:不同鸟类之间的对比研究

通过对比鸽子和仓鸮的羽毛,研究人员发现,仓鸮重叠羽毛之间的这种“定向尼龙搭扣”结构是较少的。

分离2根羽毛所产生的声音就不同。

作者介绍

Laura Y. Matloff

Laura Y. Matloff,2013年获得MIT理学学士学位,机械工程专业;2016年获得斯坦福理学硕士学位,机械工程专业。

主要关注以鸟类为灵感的变形翼机器人的项目设计和制造。

Eric Chang

Eric Chang,斯坦福大学机械工程系在读博士生。

2015年获得亚利桑那州立大学理学学士学位,机械工程专业;2017年获得斯坦福大学理学硕士学位,机械工程专业。

Lindsie Jeffries

Lindsie Jeffries,2017年获得亚利桑那州立大学理学学士学位,生物医学工程专业。

最后,这项酷酷的研究也引发了一些讨论。

有人觉得从生物学中寻找交叉灵感很有创意,也有人想法大胆,觉得未来可以设计出“人造翅膀”。

不知道你想到了什么?

传送门

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

作者系网易新闻·网易号“各有态度”签约作者

本文分享自微信公众号 - 量子位(QbitAI),作者:关注前沿科技

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2020-01-17

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