前沿分享丨Science 正刊封面论文：麻省理工学院打造了一款重250克的扑翼机器人

在自然界中，近100种鸟类能够将飞行本领“延伸”到水下世界——它们既能在空中翱翔，也能潜入水中捕食。然而，空气密度约为水的千分之一，这意味着鸟类在两种介质中扑动翅膀时，所承受的力矩和所需的速度截然不同。它们如何在这两套“物理规则”之间无缝切换？长期以来，这一直是生物力学领域的一大谜题。

传统的动物实验很难精确控制鸟类的行为，而计算机模拟在面对翅膀的大幅度柔性变形以及水、气两相流耦合时，也显得力不从心。不过，麻省理工学院Raphael Zufferey博士团队，打造了一款重250克的扑翼机器人，成功复现了潜水鸟类“飞行—游泳—俯冲入水—跃水而出”的完整行为链（图1a）。相关论文以“Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings”为题，发表在Science上。

▍一台会飞、会游、会“起飞”的机器人

这款机器人的设计灵感直接来源于潜水鸟类。它拥有修长的机身、对称的薄膜机翼，以及一个可操控的尾翼（图1e）。更重要的是，研究人员可以通过更换不同尺寸和刚度的机翼，系统性地测试各种参数对性能的影响。

潜水鸟类在水下扑翼时，会通过翼部形变来减小载荷。受此启发，这台机器人并未采用复杂的机翼折叠机构，而是使用了超柔性机翼——其柔性比真实鸟类骨骼高出三到四个数量级。在水下扑动时，机翼会被动弯曲，有效缩小翼尖的行程和所受载荷。得益于此，机器人能在高达6赫兹的频率下扑翼，远超刚性机翼0.85赫兹的极限，甚至高于其空中巡航所需的5.2赫兹频率。同时，机器人被设计为中性浮力，避免了像潜水鸟类那样需要额外消耗能量来对抗浮力（图1d、1b）。

图1. 水空运动中的物理适配与机器人平台。 （A）潜水鸟类四种运动阶段的示意图：空中飞行、水面滑行、水下游泳和俯冲入水。（B）本研究中机器人与潜水鸟类在空气和水中的扑翼频率范围对比。（C）理论所需频率比（基于等比例缩放）与实际观察到的生物频率比（基于文献数据）的差异。阴影区域表示围绕标称翼展88厘米的±10厘米变化范围。无刷电机的速度-扭矩曲线以虚线表示。该分析假定扑翼为正弦运动，并由正向运动学验证。（D）机器人出水瞬间的前视照片。膜翼以60°幅值、10赫兹频率扑动，尾部部分浸没，即将离开水面。（E）本研究使用的机器人机身装配俯视渲染图。

▍机翼尺寸的“取舍”：天上要够大，水里要够小

为了探究翼展大小对性能的影响，研究人员测试了小、中、大三组机翼（图2a）。风洞实验表明，中型和大型机翼在6赫兹以上扑频时，能产生足够的升力和推力，而小型机翼则需要接近10赫兹才能产生有效推力（图2d、2f）。尽管功率消耗随翼展和频率增加而上升（图2e），但中、大型机翼在飞行和起飞任务中明显更胜一筹（图2g）。

然而，水下游泳测试却呈现了相反的趋势：在5赫兹扑频下，小型机翼以0.95米/秒的速度表现最佳，中型为0.79米/秒，大型仅为0.64米/秒（图2k）。这说明，较大的机翼虽然能产生更大的推进力，但随之而来的阻力也显著增加，最终反而拖慢了速度。有趣的是，电力消耗主要取决于扑翼频率而非机翼尺寸（图2l），而“运输成本”（即单位距离的能耗）在低频时最低，且与机翼大小关系不大（图2m）。

最终，中等尺寸的机翼被证实是兼顾空中与水下性能的最佳折中选择。在实测中，该构型的机器人室内飞行速度可达6.3米/秒（图2h），基于实测功率与速度数据推算，单次充电可飞行约6公里或水平游泳约2公里（图2数据）。

▍机翼刚度：柔性是“妙招”，太硬反而不行

除了尺寸，机翼刚度同样关键。研究人员在中型机翼上测试了五种不同刚度，发现柔韧性较好的机翼在水下高频扑动时速度更快，在低频时能耗更低；而刚度太高的机翼会因电机负荷过大，将最大可用频率限制在4.9赫兹。

水下高速摄影证实，柔性机翼可将翼尖振幅被动减少60%至90%，从而将斯特劳哈尔数（衡量推进效率的关键指标）维持在最经济的0.2~0.4区间（图2j、2k）。可以说，恰到好处的柔性，让机器人在水中“游刃有余”。

图2. 单一介质中的运动与性能。 （A）三组展弦比相同、半翼展分别为430毫米（小）、530毫米（中）和430毫米（大）的机翼。（注：原文图2a标注中，大、中、小依次为430mm、530mm、330mm半翼展，此处按原文顺序列出）。（B）用于采集空中数据的风洞设备后视图，气流速度6米/秒，攻角20°。（C）扑翼机器人机身的特写。（D）不同频率下的升力值。（E）不同频率下的功率值。（F）不同频率下的推力（即阻力的反向）值。（G）无风起飞状态下的无量纲推力值。（H）室内环境中的扑翼飞行演示。（I）Elliott等人（24）报道的动物游泳与飞行运输成本，机器人数据取自最小巡航飞行状态和1赫兹游泳状态，运输成本以电功率计。（J）机器人在游泳状态下的俯视图像。（K）光学追踪测得的不同翼展下的游泳速度，SD表示标准差，N=4。（L）不同频率下的功率消耗，SD表示标准差。（M）游泳时的运输成本。

▍出水瞬间：角度和尾巴，一个都不能错

对于潜水鸟类和机器人而言，从水中跃向空中是最具挑战性的一环。研究人员在室内水池和自然湖泊中进行了大量跃水实验（图3a），结果发现：尾部长度和出水角度是成败的关键。

尾部过长时，会在出水瞬间产生强大的下俯力矩，将机器人重新拉回水中；但如果没有尾部，空中飞行又会变得不稳定。最终，短尾设计被证明是最佳方案——它既能最大限度减少下俯力矩，又能提供足够的俯仰控制（图3b）。

出水角度同样需要“精准拿捏”：小于55°时，尾部容易造成下俯而失败；接近垂直（≥80°）时，虽然能腾空，但容易进入倒退飞行并重新落水；唯有70°左右的角度，能确保成功率。出水后，机器人通过尾翼升降舵调整姿态，平稳过渡到前向飞行（图3d）。整个过程耗时不足1秒，大约需要8到10次扑翼（图3c），但动能与势能增益相对于电能消耗的比例仅为1:40——也就是说，跃水消耗的能量远超最终获得的机械能，显示出这一过渡阶段的巨大能量代价（图3e、3f）。

▍俯冲入水：像炮弹一样扎进去，然后稳稳游起来

潜水鸟类常以高速俯冲入水捕食。机器人也成功复现了这一行为：它以5米/秒的速度飞向水面，冲入水池后急速减速至0.5米/秒，承受约60倍重力加速度的冲击力（图3h、3i）。令人惊讶的是，无论入水瞬间机翼处于何种角度，甚至无论翅膀是否在扑动，机器人都能平稳完成从空中到水下的转换，并随即开始扑翼游泳。

尽管机器人在水下（18瓦/公斤）、空中巡航（74瓦/公斤）和跃水（190瓦/公斤）三个阶段的单位质量功率消耗差异悬殊（图3e），但它成功复现了潜水鸟类的完整行为链，为理解跨介质运动的物理极限和适应策略提供了前所未有的实验依据。

图3. 介质间过渡。 （A）机器人在自然湖泊中成功出水的序列图像。（B）成功与失败的出水轨迹对比，显示了尾部产生下俯力矩并导致失败的情况。（C）出水过程中机器人姿态角随时间的变化。（D）出水后通过尾翼升降舵俯仰控制过渡到前向飞行的序列图。（E）不同运动阶段的质量归一化功率。（F）扑翼产生的水动力推力示意图，显示机翼向下推水，将机体向上推离水面。（G）从水平游泳状态直接启动出水的演示序列。（H）机器人以5米/秒速度俯冲入水瞬间的序列图像，显示快速减速过程。（I）俯冲入水过程中速度和加速度的变化曲线。

▍展望：从生物启示到未来机器人

这项研究不仅增进了我们对潜水鸟类生物力学的理解，也为未来跨介质机器人的设计指明了方向。柔性机翼的被动变形、机翼尺寸的合理权衡、尾部与出水角度的精确控制，都将成为设计“水空两栖”机器人的关键原则。

从搜救监测到环境勘探，能够在水空之间自如切换的机器人有着广阔的应用前景。而这项研究的更大意义或许在于：通过“建造”来“理解”——我们用机器人复现了自然界的奇迹，也反过来读懂了进化赋予鸟类的智慧（图3g）。

本文由CAAI认知系统与信息处理专委会供稿