資訊科技

有羽毛的飛行器

以鴿子翅膀為基礎研發飛行器,可能催生新一代無人機。

撰文/撰文/戴利(Jim Daley)
2020-05

資訊科技

有羽毛的飛行器

以鴿子翅膀為基礎研發飛行器,可能催生新一代無人機。

撰文/撰文/戴利(Jim Daley)
2020-05


早從希臘神話人物伊卡勒斯(Icarus)嘗試飛行卻遭不幸開始,人類就不斷從鳥身上尋求飛上天際的靈感。但如何像鳥一樣運用有羽毛的靈活翅膀飛行,是長久以來的難題,挑戰之一是工程師不了解鳥如何控制翅膀上的羽毛。近來兩項新研究有所突破,研究人員設計了裝有羽毛翅膀的飛行器,能像鳥一樣改變翅膀形狀,比無法振翅的無人機靈活。


為了設計有翅膀的飛行器,研究人員先利用動作擷取影片檢視鴿子翅膀在飛行中的收合與活動。根據研究結果,他們認為可透過連結關節的彈力帶來控制飛行器每片翅膀上的20根羽毛,飛行器稱為機器鴿(Pigeonbot)。他們利用現代造影技術,發現鳥類羽毛上的顯微結構在飛行過程中會暫時勾住彼此。機器鴿需要真的羽毛才能運作,研究人員必須模擬羽毛的特性,才能提升飛行器的性能。


論文共同作者、美國史丹佛大學機械工程師張(Eric Chang)表示,他們想讓飛行器的翅膀和羽毛動作盡量模擬真正的鴿子。鴿子只要改變翅膀形狀就能大幅轉彎和傾斜,研究人員希望飛行器也具備這項特性。動作擷取影片顯示鴿子主要透過張開和合攏腕關節來做到這些動作。


科學家用泡沫板製作飛行器的原型機主體,並裝上電子導引系統與控制羽毛的彈力帶。接著讓原型機在風洞裡操控翅膀,判定它能否在狂風大作的真實環境裡運作。原型機順利通過測試,準備進行實驗室外的滑翔與轉彎測試。在地面控制機器鴿的張非常緊張:「當機器鴿完好如初降落,我因為如釋重負而整個人癱在地上。」這項研究結果發表在今年1月的《科學.機器人學》(Science Robotics)。


鴿子羽毛能自動依附鄰近羽毛,形成平滑、靈活的飛翔面,製作機器鴿的科學家亟欲釐清其中奧秘。就像許多鳥類,鴿子靠葉狀纖毛這種顯微結構來達成此事,鳥類學家早在20世紀就發現葉狀纖毛,但他們認為葉狀纖毛的功用只是增加羽毛之間的摩擦力,就像互相摩擦的砂紙。美國史密森尼國家自然史博物館動物學家費歐(Teresa Feo)表示,鳥類學家之所以有這種見解,原因之一是當時光學顯微鏡還不夠先進。研究團隊在今年1月的《科學》發表另一篇論文,費歐也是論文共同作者,他表示:「我們發現葉狀纖毛的確切功用不是產生摩擦力,而是扮演鉤子的角色。」研究團隊證明了鳥類收合翅膀時分離纖毛的方式,以及鳥類伸展翅膀時纖毛如何再次勾住彼此。


論文共同作者、史丹佛大學的機械工程師馬特洛夫(Laura Matloff)表示,有了現代分析技術與儀器(例如掃描式電子顯微鏡、X射線顯微鏡、電腦斷層掃描),他們才能發現葉狀纖毛真正的運作機制,「我們是第一個使用這些新儀器重新檢視葉狀纖毛的團隊。」


但羽毛在飛行中的作用方式依然成謎,研究團隊發現倉鴞和夜鷹這兩種會隱身在黑夜中狩獵的鳥類,其羽毛上明顯沒有葉狀纖毛。葉狀纖毛就像魔鬼氈一樣,在分離時會發出噪音。比起用葉狀纖毛勾住羽毛,隱密行動的掠食動物更可能演化出安靜飛翔的能力。德州大學奧斯丁分校的古生物學家克拉克(Julia Clarke)沒有參與這兩項研究,她說:「這很明顯是趨同演化的範例,生物為了生存必須有些取捨。」克拉克對葉狀纖毛的演化史深感好奇,雖然她說我們很難在化石裡找到這種微小結構。


模仿飛翔面柔軟且結實的特性,可能對設計人工變形翼非常有用,而這也是打造新一代無人機的關鍵。典型的四軸飛行器無人機很靈活,擅長原地升降,但張說有翼無人機飛得更快、更安靜。他也表示史丹佛團隊正在設計更好的架構,「讓飛行器仿造真實翅膀,不只提升效率,還能視情況動態改變形狀以保持流線飛行。」


英國索塞克斯大學的生物啟發機器人學家赫斯本茲(Phil Husbands)沒有參與此研究,他評論這項研究「指出新型仿生飛行器具有發展性,而且有許多應用層面。研發具有真實羽毛變形能力的軟質人工羽毛,可能是科學家未來挑戰的目標之一。」......