仿北極海鸚設計！MIT與EPFL聯手打造空水兩棲撲翼無人機

研究人員長年致力於打造能在空中飛行又能潛入水中的機器人系統，而北極海鸚（Puffin）早已輕鬆做到這一切。

受大自然啟發，美國麻省理工學院（MIT）與瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的工程師共同研發出一款全新的「空水兩棲撲翼載具」（Flapping-wing Aerial-Aquatic Vehicle，FAAV）。這款機器人重量不到300克，採用中央機身、兩片柔性翅膀以及可操控的尾翼設計。

在日內瓦湖的實地測試中，這台機器成功於湖中游泳，隨後撲動翅膀、破水而出，騰空飛入空中。

「我們的夢想願景，是讓海洋學家、海洋生物學家以及沿海社區的成員，能從船上或岸邊放飛這款機器人。它可以飛近目標區域，例如冰山、港口設施，或是鯨魚群上方，」MIT機械工程系助理教授 Raphael Zufferey 表示。

「它可以潛入水中進行測量或採集樣本，再飛回來傳遞資料，成本僅是傳統方式的一小部分。之後還能再次出發繼續潛水採集，」Zufferey 補充道。

FAAV的飛行原理

工程團隊最初假設，雙介質機器人需要複雜且沉重的變形結構件，但大自然推翻了這個想法。

研究人員回顧了翠鳥（Kingfisher）、海燕（Petrel）以及海鸚（Puffin）的生物學資料，發現體型較小的鳥類在兩種介質中維持相同的物理運動機制，只是調整撲翼速度而已。海鸚在空中每秒撲翼約10次，潛入水中時則降至每秒4次。

研究團隊以相當高的精準度模擬了這種行為。FAAV由小型防水電動馬達和機械曲軸驅動，以每秒穩定5次的頻率撲動其表面塗有奈米粒子塗層的柔性翅膀。

這款空水兩棲機器人成功的關鍵在於翅膀的柔韌性——翅膀必須夠柔軟，以減少在水中的撲動幅度，同時又要夠硬挺，才能讓載具在空中保持飛行。

FAAV在水中的巡航速度為每秒1公尺，在空中則可達每秒6公尺。

水面至空中的過渡挑戰

然而，破水躍出才是最困難的一關，這個過渡過程需要極大的推力。

為了克服水面的張力，工程師發現機器人必須以70度的大仰角接近水面。若角度太小，水會困住翼尖；而角度太大，則會導致無人機向後翻覆墜毀。

有趣的是，這款機器人在不需要任何「腳」的情況下，就能完成從水下到空中的過渡。

真實的海鸚和鴨子通常會划動蹼足來衝破水面張力。Zufferey與其研究團隊發現，這款機器人只需透過翼面大小、撲翼頻率和尾翼俯仰角的配合，即可成功起飛升空。這一發現證明，至少在機器人學領域，踩腳划水的動作對於起飛而言完全沒有必要。

下一步：邁向海洋科研應用

MIT的AURA實驗室目前已著手進行下一階段的開發。未來的改進版本將配備能夠扭轉與操控方向的進階翅膀，讓這款無人機得以應對強風和洶湧的沿海波浪。

目前，海洋資料的採集主要仰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的出現有望改變這一現狀——它可以每小時部署一次，而非每週一次，自主往返於研究基地與脆弱的海洋生態系統之間。

這項研究已於7月9日發表於國際頂尖學術期刊《科學》（Science）。

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