四川
科学家近日在日内瓦湖测试了一种可在空中和水中活动的飞行机器人，证明它仅靠机翼就具备足够的速度和动力，能够自行破水起飞。麻省理工学院机械工程师拉斐尔·祖费雷的实验室里，有一个装满亮蓝绿色水的大型水槽、一排能够制造强风的风扇，以及随处可见的小型飞行机器人。
这里的主角正是这些机器人。它们的灵感来自大西洋海鹦等潜水海鸟。这类鸟既用翅膀飞行，也用翅膀游泳。祖费雷说：“海鹦解决了一个非常困难的问题：在空气和水中移动，而这两种介质的密度差异巨大。”他和同事想知道，能否造出一种与鸟类体型相近、同样能够在空气和水中移动并在两者之间切换的机器人。
它也有许多潜在用途，包括观测近海海洋环境，以及监测偏远珊瑚礁等目标。机器人可以飞到珊瑚礁，或飞向鲸群、藻华等目标，然后下水取样并收集数据。这类受生物启发的机器人，也是同时理解自然与工程的一个重要方向。克利夫顿说：“生物学启发了机器人技术，而机器人技术反过来也被用来理解生物学。”
工程团队研究了海鹦如何潜水、游泳、飞行，以及如何在空气和水之间切换。制造这台机器人用了两年时间。祖费雷回忆说，起初他觉得，“要设计一种机翼，让它在空气和水中都能有一定效率地工作，听起来几乎不太可能”。但他和同事并未因此退缩。他们以潜水鸟为基础设计了机器人的整体体型，同时做了几处关键调整。
首先，他们决定不安装腿部结构，因为在机器人设计中，腿部很难制造、控制，也难以实现预期动作。祖费雷说：“我们转而思考，能不能只靠机翼本身，直接从水里进入空中？”研究团队没有采用许多潜水鸟那样可折叠的翅膀。祖费雷说，那样会过于复杂。“你需要增加关节，还要增加电机。所以我们转而依靠机翼本身的柔性。”
他举起最终成型的机器人。它的造型很简洁。容纳电机和电池的中央机身完全敞开，内部电子部件清晰可见。祖费雷解释说：“水会直接灌进整个系统。所以你必须把每一个部件分别做好防水。”这种设计让机器人既足够轻，便于在空中飞行，又能保持中性浮力，也就是说，它不会浮到水面，也不会沉到水底，而是能稳定停留在水中。
机器人带有尾部结构，以帮助飞行。机翼由半透明尼龙织物制成，并用碳纤维支杆加固。祖费雷托着机身，机翼快速而有力地上下拍动。他说：“你能真切感受到那种力量。”机器人在维持飞行时，每秒拍翼5到6次。但要从水中脱离并冲入空中，它必须每秒拍翼10次，才能产生足够的速度和推力。
大多数潜水鸟仅靠翅膀无法产生这样的动力，因此它们起飞时需要借助双腿沿水面奔跑。祖费雷说，翠鸟是个例外，但那是一种特别轻的鸟。祖费雷调出了一段他和同事在瑞士日内瓦湖拍摄的视频。远处是阿尔卑斯山，湖面平静。
水面先泛起一丝轻微涟漪，随后机器人猛然破水而出，飞入空中——整个过程不到1秒。它发出的声音，听起来确实像一只鸟起飞。研究人员计算了最佳起飞角度和机翼尺寸。他们估计，机器人单次充电后可飞行不到4英里，或游动略多于1英里。克利夫顿说：“这比短距离铁人三项中跑步和游泳两个赛段的总长度还要长。”
她对这款机器人整体表现印象深刻。她说：“它既轻巧又有力量，在游泳、飞行以及两者之间切换的性能上，都是一个里程碑式的进展。”谈到未来，祖费雷对这类机器人的应用前景感到兴奋，包括监测有害藻华、鱼类资源和海岸侵蚀。他计划为设备配备若干机载传感器，以支持这类数据采集。
此外，祖费雷和团队还在继续打磨和改进这种空水两栖机器人。它们通过实验不断完善，但灵感依然来自自然世界。祖费雷说：“你会发现，生物界其实早已实现了这一点。”这会给机器人研究者带来希望。它说明，这件事应该是可以做到的。
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