MIT與洛桑理工聯手開發空水兩棲撲翼機器人 仿北極海鸚設計實現水陸空轉換

仿生啟發：北極海鸚的飛水能力

自然界中，北極海鸚（Puffin）輕而易舉地在空氣與水中往來自如，卻長期困擾著機器人工程師。如何讓人造飛行器同時具備優異的空中與水中性能，一直是複雜的跨域工程挑戰。

MIT與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究團隊決定直接向大自然取經。他們深入研究翠鳥、海燕及海鸚等小型飛行生物的生物力學特性，發現這些鳥類並未採用完全不同的運動機制來應對兩種介質——它們只是簡單調整撲翼速度。例如，海鸚在空中每秒撲翼約10次，進入水中時則降至每秒4次。

這項發現推翻了工程師原有的假設：他們曾認為雙介質機器人需要複雜且沉重的變形結構件，但生物學證明，優雅的單一設計加上速度調整即可達成。

FAAV的革新設計

基於這些生物學洞察，MIT與EPFL的工程師開發出「空水兩棲撲翼載具」（Flapping-wing Aerial-Aquatic Vehicle，FAAV）。這款機器人重量不足300克，採用中央機身、兩片柔性翅膀以及可操控尾翼的極簡設計。內部由小型防水電動馬達與機械曲軸驅動，以每秒穩定5次的頻率撲動翅膀。

翅膀表面覆蓋奈米粒子塗層，這項創新設計兼具關鍵的物理特性：柔軟度足以在水中減少撲動阻力，硬度又足以在空中維持飛行穩定性。水中巡航速度達每秒1公尺，升空飛行速度可達每秒6公尺。

破水起飛：最大的技術突破

然而，從水下躍出升空才是最大的工程挑戰。此時FAAV需要克服水面張力產生的巨大阻力，這要求機器人接近水面時必須採取高達70度的大仰角。

工程師發現，如果角度太小，水會困住翼尖；角度太大則會導致機器人向後翻覆。研究團隊發現，透過精確調配翼面大小、撲翼頻率與尾翼俯仰角，機器人無須配備任何足部結構就能成功破水而出，升空飛行。

MIT機械工程系助理教授Raphael Zufferey解釋，這一發現證明在機器人學領域，划水動作對於起飛並非必需。現實中的海鸚與鴨子雖然會划動蹼足，但FAAV的設計證明了純粹的翅膀運動學就足以完成此任務。

海洋科研的應用前景

在日內瓦湖的實地測試中，FAAV成功演示了完整的工作流程：機器人在湖中游泳，隨後撲動翅膀、破水而出、騰空升空。

Zufferey與研究團隊展望未來應用，指出海洋學家、海洋生物學家以及沿海社區可將FAAV從船隻或岸邊部署，飛近冰山、港口設施或鯨魚群上方進行觀測。機器人可潛入水中進行測量或採集樣本，再飛回傳遞數據，成本僅為傳統科考船方式的一小部分。

當前，海洋資料採集主要依賴龐大的科學考察船，這些船隻無法安全穿越危險的淺水礁石或碎冰區域。FAAV有望改變這一現狀——可實現每小時部署一次（而非傳統的每週一次），自主往返於研究基地與脆弱的海洋生態系統之間。

MIT的AURA實驗室已著手進行下一階段開發，未來改進版本將配備更進階的翅膀設計，具備扭轉與方向操控能力，使其能應對強風與洶湧的沿海波浪。

該研究於2026年7月9日刊登於國際頂級學術期刊《科學》（Science）。