哈佛學生自製固定翼垂直起降無人機 追蹤多米尼加海域抹香鯨

哈佛學生自製固定翼VTOL無人機，追蹤多米尼加海域抹香鯨

根據哈佛大學 John A. Paulson 工程與應用科學學院發表的專題報告，兩名機械工程系大四學生從零開始打造了一架固定翼垂直起降（VTOL）無人機，用於協助海洋生物學家在多米尼加外海定位配戴 VHF（甚高頻）發射器的抹香鯨。

兩位學生 Kuma McCraw 和 Mikaya Parente 均為 2026 屆機械工程系學生，他們以工程設計專題課程（ES 100）的畢業專題，完成了這架無人機的設計、製造與飛行測試。這架無人機可從小型研究船上垂直起飛，轉換為固定翼飛行模式，並在多個位置蒐集 VHF 信號強度數據，藉此三角定位開闊海域中的鯨魚位置。

四旋翼無人機在海洋研究的瓶頸

目前在多米尼加進行的抹香鯨追蹤田野調查，主要依賴四旋翼無人機，但在海上作業時面臨明顯的性能天花板。鯨魚身上的 VHF 標籤僅傳輸信號強度，不含 GPS 座標，因此研究人員需要飛往數個不同位置，分別記錄信號讀數，才能透過三角定位確定鯨魚的位置。

然而四旋翼無人機的電池消耗過快，無法覆蓋所需距離；飛行高度太低，不利於天線間距的最佳化；能源效率不足，無法在廣闊搜索區域內維持足夠的滯空時間來蒐集有效數據。McCraw 和 Parente 打造的固定翼平台正是針對這三個缺口：升空後切換為高效率的固定翼前飛模式，同時仍可在無跑道的船舶甲板上垂直起降。

無人機在海洋哺乳動物研究中的角色日益重要。新英格蘭水族館已採用無人機評估鯨魚健康狀況，避免近距離船隻接近造成的噪音與壓力；密西西比州立大學也運用熱成像無人機研究海豚。然而本專案的任務型態截然不同——這不是被動觀測，無人機必須主動導航至航點、蒐集信號數據，並協助計算在廣闊開放水域中可能出現在任何位置的動物定位。

七個月的設計與製造歷程

McCraw 和 Parente 花費約一個月進行問題定義與零組件選擇，隨後投入五個月製作機身、主翼和尾翼。為了在控制成本的同時確保結構強度，他們在機身各處結合了 3D 列印、熱線切割發泡材料，以及碳纖維條和碳纖維管。機翼和尾翼表面以玻璃纖維和 Kevlar 增強材料搭配環氧樹脂完成——學生們表示這是整個製造過程中技術難度最高的部分，需要精確的表面處理、嚴謹的疊層順序，以及準確的環氧樹脂混合比例，以避免產生氣孔或脫層。

最後一個月則進行飛行測試、數據蒐集，以及計算流體力學（CFD）模擬分析，以評估該機在固定翼模式下的氣動性能。製造過程中他們也對結構部件進行了有限元素分析（FEA）。

完整專案名稱為「模組化 VHF 信號感測固定翼無人機平台——自主抹香鯨會合追蹤與驗證」，在 Stephanie Gil 教授指導下完成。Gil 教授的 REACT 實驗室與 Project CETI 合作運作——這是一項利用機器學習和機器人技術研究抹香鯨生物聲學的全球性研究計畫。

Project CETI 串聯整體研究使命

Project CETI 的目標是建立大規模的聲學與行為資料集，用於訓練機器學習系統來解讀抹香鯨的通訊方式。這項工作的前提，是研究人員必須確切知道鯨魚在哪裡。一架能在空中停留更長時間、覆蓋更廣海域、並從更大天線間距蒐集更精確 VHF 信號數據的無人機，將直接提升 CETI 團隊在正確時間將研究儀器送到正確動物附近的能力。

哈佛這架 VTOL 平台是以學生預算打造的概念驗證機型，尚未在多米尼加實地部署或在開放海域條件下進行驗證，這將是下一步的工作。但它指出了海洋研究團隊明確需要、卻目前缺乏的那種專用、可部署於現場的工具方向。

這個構想源自另一項製作經驗：McCraw 和 Parente 最初為 MakeHarvard 2025 黑客松製作了一架 3D 列印四旋翼無人機，進而對無人機設計產生興趣。那次經驗引導他們進入 Gil 教授的實驗室，最終打造出一架針對開放海域田野調查特定缺口量身訂製的無人機。

產業觀察：從被動觀測到主動研究工具

這項專案最值得關注的不是無人機本身，而是其背後的設計邏輯。McCraw 和 Parente 沒有選擇現成商用平台再加以改裝，而是先確認了特定的感測器幾何問題（VHF 三角定位所需的天線間距）、特定的部署限制（從小型船隻垂直起飛）、以及特定的續航缺口（四旋翼無法覆蓋調查區域），然後從零開始圍繞這三項需求打造飛行器。這正是能夠產出真正在現場發揮作用之硬體的工程思維。

近兩年來野生動物無人機研究加速發展。澳洲維多利亞州的熱成像無人機調查展示了現成硬體在對的問題上能做到什麼；明尼蘇達大學的無人機群計畫則展示了當團隊針對商用產品無法解決的限制進行開發時會有什麼成果。哈佛這項專案無疑屬於後者——它證明了無人機作為主動研究工具的價值，是圍繞量測問題而非拍攝角度所設計的。

預計 Project CETI 將在 18 個月內針對這個設計進行迭代，以實現實際的現場部署。VHF 三角定位方法是最值得關注的關鍵技術。如果天線間距幾何在高空能穩定運作，它有望取代目前需要多艘船隻協調的方式，而這正是讓多米尼加田野調查昂貴且後勤複雜的主因。一架固定翼 VTOL 無人機完成兩到三艘船的定位工作，將帶來實質的作業效益提升。

---

原文來源： 查看原文