仿潛鳥機器人同時能游泳與飛行：EPFL與MIT合作研發撲翼水空載具

仿潛鳥機器人同時能游泳與飛行：EPFL與MIT合作研發撲翼水空載具

作者：Jennifer Chu／圖片版權：Raphael Zufferey

潛鳥、海鷗、海鸚及海燕，是全球約100種既能飛行又能游泳的鳥類之一。這些潛水鳥類能俯衝入水追捕獵物，再躍回空中振翅高飛。如今，受這些天生兼具水陸優勢的飛行家啟發，洛桑聯邦理工學院（EPFL）與麻省理工學院（MIT）的工程師團隊，設計出一款能在水下游泳、並撲翼躍出水面後繼續在空中飛行的機器人，行為模式酷似潛水鳥類。

什麼是撲翼水空飛行器（FAAV）？

這款「撲翼水空飛行器」（Flapping-wing Aerial-Aquatic Vehicle，簡稱FAAV）重量不足300公克，設計目的是協助科學家研究潛水鳥類能同時穿越空氣與水體的飛行力學機制。機器人擁有一個中央機身（機頸）、兩片可彎曲的撲動翅膀，以及一個可轉向的尾翼，翅膀與尾翼均可替換為不同尺寸。

工程師團隊在水槽及日內瓦湖進行實驗，找出翼面尺寸、撲翼頻率與尾翼角度的最佳組合，使機器人能順暢地從水中游泳，突破水面，直至在空中飛翔。相關研究成果已發表於國際頂尖期刊《Science》，有助於科學界理解潛水鳥類如何調整飛行力學，以適應物理特性截然不同的空氣與水體環境，並有望開創全新的水空無人機類別。

研究人員設想，此類有翼機器人未來可從船隻或岸邊出發，飛往傳統海洋船隻難以安全抵達的水域，進行採樣或資料蒐集。

「我們的夢想願景，是讓海洋學家、海洋生物學家和沿海社區，能從船上或岸邊發射這款機器人，讓它飛往感興趣的地點，例如冰山、港口設施或鯨魚群附近。」——本研究第一作者、MIT機械工程助理教授 Raphael Zufferey 表示，「它可以潛入水中量測或採集樣本，再飛回傳遞資料，成本僅為傳統方法的一小部分，之後還能再次出發潛水蒐集更多資訊。」

飛行力學設計

Zufferey 最初以博士後研究員身分，在 EPFL 工程學院「智慧系統實驗室」（LIS）及「生物機器人實驗室」（BioRob）展開這項研究，指導教授分別為共同作者 Dario Floreano 與 Auke Ijspeert。後續工作在 MIT 完成，Zufferey 目前在該校主持專注仿生空中與水下載具工程的 AURA Lab。本研究亦納入來自美國西北印地安學院（Northwest Indian College）的共同作者。

以鳥類生物力學為設計核心，團隊採用薄膜翅膀，並在表面塗覆疏水奈米粒子，協助快速排除水分。機身內建電池與防水電動馬達，透過曲柄機構驅動翅膀以預設頻率上下撲動；尾翼同樣電動化，可調整角度控制機體上升或下潛。

關鍵參數：翼展、頻率與角度

實驗結果顯示，翼展80公分與適當的翅膀柔韌度至關重要：翅膀必須夠柔軟以減少水中撲翼幅度，同時又要夠硬挺以維持空中飛行高度。

• 水中游泳速度：約每秒1公尺（撲翼頻率約5赫茲，即每秒5次）
• 空中飛行速度：約每秒6公尺（撲翼頻率相近）
• 水面躍出角度：機體需以約70度仰角俯仰，防止翼尖觸碰水面

上述速度與撲翼頻率與真實潛水鳥類的表現相當接近。

不需腳蹼，同樣能躍出水面

值得關注的是，這套翼展尺寸、撲翼頻率與尾翼角度的組合，讓機器人得以在水下游泳、從水面起飛並飛行，而無需許多潛水鳥類起飛時依賴的腳蹼。

「觀察鳥類你會發現，大多數鳥在水面起飛時需要用腳划水。問題是，機器人是否也需要？結果發現並不需要。」Zufferey 說，「過去從未有人能僅靠翅膀從水中飛出。」

後續研究方向

研究團隊目前正持續改進翅膀設計，使其除了上下撲動外，也能左右轉向。未來還將測試機器人在惡劣環境下的表現，例如穿越波浪起伏的水面及強風飛行，最終目標是將這款飛行器實際部署於海洋科學探勘任務。

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研究引用： Zufferey, R., Jeger, S. L., Hüsser, M., Ruiz, F., Lapsansky, A., Ijspeert, A., Floreano, D. (2026). Leaping out of the water: Aerial-aquatic locomotion with flapping wings. Science.

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