为什么这款仿鸟机器人能在空气和水中自由切换？或将揭开潜水鸟的飞行游泳奥秘

你可能见过海鸥轻盈地掠过海面，下一秒却一个猛子扎进水里，再浮上来时嘴里已经叼着一条鱼。这不稀奇，可如果是一架没有脑袋也没有腿的机器人，用同一对“翅膀”在空中扑腾，又在几秒内潜到水下继续扑腾，而且整个过程完全不沉、不歪、不卡壳，你大概会觉得有点不可思议。老实说，就连设计它的工程师最初也觉得这件事“很可能根本做不出来”。但今年7月，《科学》杂志上的一项研究告诉我们，这台会飞会游的拍翼机器人已经成了现实，而它背后那一小撮不死心的研究者，正指望它帮忙破解潜水鸟的秘密，甚至未来在人类难以到达的海洋栖息地里充当微型侦察兵。

这台机器人的全名叫“拍翼式空中-水中航行器”，英文缩写FAAV，我们不妨先把它想象成一只被拆掉了头部和双腿的金属鸟。它有一个紧凑的中央机身，里头塞着电池和防水的电动马达，两根灵活的翅膀可以上下扑动，尾部还多了一面可以翻动的水平小尾巴。整台机器大约只有半磅重，差不多就是一罐可乐的重量，翼展却达到将近一米，有各种各样的尺寸可以更换。听起来没什么稀奇，可在空气和水这两种密度相差800倍的环境里，使用完全相同的推进部件——也就是扑腾翅膀——平稳飞行再平稳潜入水下，这件事本身就带着点“明知不可为而为之”的味道。

“我们确实冒了很大的险，这东西极有可能根本飞不起来。”研究的共同作者、麻省理工学院的机械工程师拉斐尔·祖费雷说。他跟同事一开始心里也没底，之所以愿意拼一把，是因为一个朴素到几乎耍赖的信念：既然鸟都能做到，好生设计一番，我们也许也能行。

事实上，能同时在空气和水中穿梭的鸟类并不算少，海雀、海鸥、潜鸟、鹱等等，少说也有近百种。它们平时用同一对翅膀在两种介质里运动，既不像飞机那样需要收起机翼切换形态，也不会像潜水艇那样靠压载水舱来改变比重。这群自然界里的跨界好手正是研究团队的灵感来源。祖费雷和同事们翻遍了已发表的大量数据，试图从这近百种鸟类的运动规律里找出一种可以被工程化“翻译”的共性。他们发现，体型较小的物种在空中每秒扑翼大约十次，到了水里就放慢到每秒四次；而翅膀更宽的大个儿们虽然频率整体偏低，但扑翼次数的高低落差规律是类似的。这个发现意味着，只要在传动和控制上做足文章，让同一个驱动系统根据介质的不同调整扑翼频率，一台硬邦邦的机器人或许也能做到类似的事情。

说来轻巧，当真造起来困难就排着队涌过来。水比空气稠密得多，同样的扑翼动作在水下会碰到更大的阻力，电动机的负载也因此完全不同。在空气里，翅膀的扑动主要靠升力和推力；一到水下，流体动力特性就彻底变了个面孔，翼面的柔韧性、扑动的幅度和频率都会显著影响效率。更要命的是，水陆交界处是很多跨界机械的“事故高发区”：从空中扎进水面的一瞬间，如果角度不对，根本来不及调整姿态就可能直接撞碎或失控下沉；想从水里冲出来，则又必须短时间内对抗水面张力和包裹在机身上的水膜，稍微慢一点就要被拽回去。

研究团队花了大约两年时间反复调试，在气动与水动的交叉地带里摸爬滚打，最后找到了一个在两种环境中都能勉强满意的折中方案。他们把扑翼频率定在每秒五下，这个数字既不是空中最省力的，也不是水下最高效的，却恰好是二者之间的“公约数”。实测下来，FAAV 在水下能达到每秒约0.9米的游速，出水后则能飞出每秒约6米的速度。比起自然界的鸟，这个数字也许不算惊艳，但它妙就妙在切换的时候无需更换任何零件，更不需要停下来喘口气。切换的核心秘密藏在尾部那面可以大幅度翻转的小尾巴上：测试中团队发现，只要在从水下起飞时让尾巴保持大约70度的角度，水的阻力和翼尖的吃水深度就会进入一个微妙平衡，翅膀梢儿恰好能在扑动中脱离水面，整机就能一口气把自己“拔”出来。

这台机器人的首秀地点也颇有意思。除了在实验室水箱里完成基础测试，团队还把它带到瑞士的日内瓦湖里试了试水。在真实水体里，大大小小的涟漪、折射、水下暗流都会对无人机的姿态产生影响，而这些是水箱无论如何模拟不出来的。FAAV 在湖里的表现虽然远没达到量产标准，但至少证明了一件事：用同一对扑翼在空气和水之间来回穿梭的技术路线，是走得通的。

这不得不让人联想到一个更大的趋势：用动物启发出来的机器人设计正在从一个冷门小圈子，缓慢但坚定地挤进工程学的主流视野。除了这次“学鸟”的 FAAV，近年来科学家和工程师们已经把海星、蜥蜴、鱼类、海龟等各式各样的生物都“逆向工程”了一遍。海星的管足运动启发了可以穿越缝隙的软体机器人，沙蜥在沙子里游泳的姿势被搬到了救灾探测车上，海龟的蹼状前肢则催生了一批效率极高的水下推进器。这些设计背后有着一条共通的逻辑：自然界用了亿万年时间筛选出了一套又一套精悍的运动方案，我们与其凭空拍脑袋，不如老老实实向它们抄作业。

话说回这台会飞会游的拍翼机器人，它的能力到底能用在什么地方？首先，研究团队自己最看重的是科学上的意义。许多潜水鸟类究竟如何在翅膀不作任何形态调整的情况下，快速而节能地从空中切入水下，至今仍有许多细节是模糊的。有了 FAAV 这样的实验平台，研究者就可以在受控条件下改变翅膀的柔韧性、扑动频率、入水角度，看看哪个参数的变化会带来怎样的效果，相当于给鸟类的跨界运动规律提供了一个可重复实验的“活体模型”。

另一个想象力更大的方向则关乎海洋生态。如今，大量的海洋环境数据仍然需要靠船只、浮标或者笨重的潜水器来采集，成本高、覆盖范围窄，在一些偏远的浅滩、礁盘或者冰山边缘更是难以抵达。如果未来能够发展出更小型化、更抗风浪的拍翼机器人集群，它们理论上可以从空中撒下去，贴着水面飞行监测海表温度，再钻进水里拍摄珊瑚礁的健康状况，甚至跟踪某个小范围的洋流变化。由于不需要像传统无人机一样频繁回收到船上，也不用像水下滑翔机那样依赖压载调姿，这种跨界方案在某些场景里可能具备独特的效率优势。

当然，必须实话实说的是，FAAV 目前还相当“实验室”。它的续航时间不长，负重能力也极其有限，暂时挂载不了什么像样的传感器，更不用说在浪急风高的开放海域里稳定作业。此外，水下的无线通信仍然是个麻烦事，机器人一旦潜得稍微深一点，信号就会急剧衰减，操作者几乎等于瞎子。团队在论文里也没有掩饰这些短板，他们更倾向于把这台机器看作是一个验证概念的原型，一件给后人趟路的工具，而不是一个立马就能下海干活的成品。

但这并不妨碍它用一种近乎笨拙的方式告诉我们一件事：很多时候，挡在“不可能”前面的，往往不是物理规律本身，而是我们心里那堵被经验垒起来的墙。从来没有人规定翅膀只能给空气用，是鸟儿自己早就打破了这条界限。现在，一群工程师不过是用金属和电路，又把它们的答案重新抄了一遍。也许再过几年，当更轻更强的材料出现，当成群结队的拍翼机器人在一片人类很难频繁涉足的浅海口来回穿梭时，我们还会想起来，最初的一切，不过是几个倔脾气的研究者在水箱边嘀咕了一句：“鸟都能飞能游，我们凭什么不行？”