Science最新封面｜不折翅不蹬腿，这只扑翼机器人仅靠拍翅就能从水下飞起来

海雀、鸬鹚、海鸠……自然界中有近100种鸟类能用同一对翅膀在空中飞行和水下游泳，并在两者之间无缝切换。

这背后是极其复杂的物理权衡：空气中需要高频拍打和大翼面获得升力，水下则要降低频率、减小翼面来控制载荷，而从水面跃出的瞬间能量消耗最为剧烈。但研究者很难在野外对潜水鸟做系统性实验，计算机模拟也难以处理拍翼引起的大变形流固耦合。

现在，美国麻省理工学院与瑞士洛桑联邦理工学院联合团队给出了一个新方案：造一只能飞、能游、能俯冲入水、还能从水下跃出的扑翼机器人，然后用它来系统地回答那些在动物身上无法回答的问题。相关论文发表在国际权威期刊Science最新一期封面上。

01.

柔性翅膀替代折翼机构

这只机器人重约250克，由流线型机身、两片对称的薄膜翅膀和一个可驱动的尾翼组成。整机防水、无线遥控，能通过无线指令设定拍翼频率和尾翼偏角。

潜水鸟类在水下会通过折叠翅膀来减小翼面积，降低水中的巨大载荷。这个机构在工程上非常难以复制。研究团队的解法是：用柔性翅膀代替折翼机构

具体来说，机器人的翅膀刚度比鸟类翅膀（根据骨骼刚度估算）低三到四个数量级。当翅膀在水中拍打时，流体阻力会使柔性翅膀发生被动弯曲，翼尖振幅减少60%到90%，等效地实现了"缩小翼面"的效果。这使得机器人能在水下以最高6 Hz的频率拍翼，远高于刚性翅膀在水中仅能达到的0.85 Hz上限。

与此同时，在空气中，同一对翅膀的拍动频率范围为5.2到11 Hz。也就是说，空气中与水中的拍翼频率比约为二到四倍——这与生物学数据中观察到的潜水鸟类频率比高度一致。

团队还将机器人设计为中性浮力，这样在水下无需额外消耗能量来产生向下的力对抗浮力（真实潜水鸟类需要这样做）。

为了进一步探究最优配置，团队制作了三种不同尺寸的翅膀（半翼展330 mm、430 mm、530 mm），并对中等尺寸翅膀测试了五种不同刚度。风洞实验表明，中等和大尺寸翅膀在6 Hz以上即可产生足够的升力和前向推力，而小翅膀需要超过10 Hz才能获得推力，已接近电机极限。

水下实验的结果则呈现出相反趋势：在5 Hz下，小翅膀的游泳速度最快（0.95 m/s），中等翅膀次之（0.79 m/s），大翅膀最慢（0.64 m/s）。较大的翅膀虽然产生更多推力，但带来的阻力增加超过了推力收益。

有趣的是，水中的运输成本（cost of transport）在不同翅膀尺寸间几乎没有差异，但随着频率升高而急剧增加。这暗示着潜水鸟类缩小翼面积的目的可能并非提高游泳效率，而是为了游得更快——在追逐猎物或缩短水下停留时间时更有优势。

02.

一秒跃出水面

对鸟类和机器人来说，从水到空气的过渡是最具挑战性的阶段——需要在高密度流体中加速到飞行速度。大多数潜水鸟类会借助双脚蹬水来辅助起飞，但仅靠翅膀拍打能否完成这一过渡？

研究团队通过系统实验回答了这个问题。他们发现尾翼到机身的距离对水面脱离至关重要：没有尾翼时，机器人能游出水面但无法保持飞行稳定；尾翼太长（距机身200 mm）时，浸没的尾部产生俯仰力矩使机器人重新扎入水中；尾翼紧贴机身时效果最佳，既减小了水下拖曳力矩的持续时间，又能在出水后提供足够的俯仰控制力。

出水角度同样关键。团队在湖泊和室内水池中进行了总计26次出水测试（角度从55°到80°），结果清晰表明：角度低于55°时尾部拖曳力矩阻止机器人完全出水；角度接近或超过80°时，机器人虽能完全升空但会迅速向后飞行并重新落水；70°的出水角度成功率最高，所有尝试均成功

在最优配置下，整个出水过程不到一秒：机身先露出水面（0.3秒），翅膀后缘随后离水（0.8秒），尾翼最后脱离（1秒）。机器人大约需要八到十次拍翼完成从水面到空中的过渡。一旦升空，通过尾翼偏转控制俯仰角即可转入前飞。

这一过程的功率消耗为190 W/kg，远高于巡航飞行的74 W/kg和水下游泳的18 W/kg。出水的能量效率（获得的动能和势能与消耗电能之比）仅为1:40，说明水气过渡确实伴随着巨大的能量损耗。

翅膀刚度在出水中也扮演着双重角色：刚度太低，无法在水面产生足够的推力完成起飞；刚度太高，则会引发机身振荡使机器人在水面失稳。中等刚度成为唯一可行的选择

团队还测试了俯冲入水。机器人以5 m/s的速度飞行并撞击水面，经历约60 g的冲击力后从5 m/s减速至0.5 m/s。实验显示，无论入水时翅膀处于何种拍动相位，机器人均能成功过渡到水下游泳——入水的鲁棒性远高于出水。

03.

距离超过15米，不如跃出水面飞过去

综合空中和水下的功率与速度数据，这只机器人在单次充电下可以飞行6公里（20°攻角、6 Hz拍翼），或者水下游泳2公里（1 Hz拍翼）。室内无绳飞行测试中，平均飞行速度达到6.3 m/s。

研究团队还计算了一个有趣的临界距离：由于水中的运输成本（3.7）高于空中（1.2），当水平移动距离超过15.5米时，从水中跃出、飞过去、再俯冲入水，比一直在水下游过去更省能量

与同体型的真实鸟类和蝙蝠相比，机器人的运输成本处于相近区间。与只能飞或只能游的其他扑翼机器人相比，这只机器人在两种介质中的速度也都处于可比水平。

论文作者在讨论中指出，这项工作表明复杂的翅膀折叠机构对于空水两栖运动并非必要条件——适当的翅膀柔性、面积和频率调节可以近似替代这些机构的功能。同时，仅靠翅膀拍打就能从水中起飞（不需要脚的辅助），但这是一种高功率机动动作，对于翼载荷较高的鸟类来说可能不可行。这或许解释了为什么翠鸟和河乌这类翼载荷较低的鸟能近乎垂直地跃出水面而无需蹬脚，而海雀等较重的鸟类则必须依赖双脚在水面加速。

在应用层面，这些设计原则为一类新型机器人奠定了基础，未来可用于湖泊监测、海洋观测、海洋生态调查和海岸管理等场景——一台机器人既能在空中大范围巡查，又能随时潜入水中近距离采样。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb6744