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
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