2011 年，託德·萊克特和卡梅倫·羅伯遜著手製造一架人力直升機，使其能夠飛到 10 英尺高空並在空中懸停 60 秒，他們面臨一個主要障礙：這被認為是“不可能”的。
專家們在經歷了 30 年的失敗和墜機後得出了這個結論，最早可追溯到 1980 年，當時美國直升機協會（現為 AHS International）設立了一個獎項，最終價值 25 萬美元，獎勵成功的人力飛行。所有證據都表明，單靠飛行員自身的力量根本無法產生足夠的動力來飛到那麼高並持續那麼長時間。英國曼徹斯特大學的航空工程師安東尼奧·菲利波內在 2007 年《美國直升機協會雜誌》上發表的一篇論文中演算了資料，並報告說這個想法——以及任何基於此的飛機——根本無法飛行：“總的來說，美國直升機協會的所有要求……都無法……實際實現。”
萊克特（32 歲）和羅伯遜（27 歲）在贏得獎金和獎項（被稱為 AHS 西科斯基獎）後，才瞭解到菲利波內的論文。他們在 2013 年 6 月憑藉其巨型四旋翼腳踏車動力機器“阿特拉斯號”創紀錄的飛行贏得了該獎項。
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“阿特拉斯號”就像用保羅·班揚的埃雷克特積木搭建的超棒玩具，它具有四個骨架樑，由碳纖維管和高科技線纜纖維製成，組裝成巨大的拱形 X 形，對角跨度為 88 英尺。四個旋翼，每個直徑 67 英尺，帶有輕木肋和透明的聚酯薄膜蒙皮，位於 X 形的每個臂的末端。從其中心垂下來的線上，懸掛著一輛改裝的賽車腳踏車，中心拱起離地面 12 英尺，萊克特是“阿特拉斯號”的人力發動機，他提供腳踏動力，透過由線軸和線纜組成的複雜系統轉動旋翼。這種能量將這個 121 磅重的飛行器抬離地面。
他們的 64 秒飛行，在之前那麼多人失敗之後，證明在一個由洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯曼等大型公司的龐大工程師團隊主導的時代，一個小型、靈活的團隊可以解決最棘手的問題。西科斯基飛機公司高階工程師、2013 年西科斯基獎委員會主席本傑明·海因表示，年輕的設計師們必須弄清楚具有非常有限的動力源的飛機的理想尺寸和重量、最佳旋翼設計以及可行的飛行控制系統。他指出，行業可以從中吸取重要的教訓，其中最主要的是萊克特和羅伯遜願意接受失敗並快速做出重大設計變更。“這是大型公司無法做到的，”海因說。
在另一次少數人力量的展示中，萊克特和羅伯遜編寫的用於最佳化其設計的筆記型電腦程式現在已成為 NASA 軟體工具包的一部分，該工具包用於配置旨在比“阿特拉斯號”飛行更遠的飛行器。明年，這兩位工程師計劃親自使用它來設計一架人力飛機，以角逐克雷默馬拉松獎，該獎項將頒給第一個在一小時內完成 26 英里航程的飛行器。（目前的速度記錄為每小時 27.5 英里，是在一次持續兩分多鐘的飛行中創下的。）
在撰寫關於萊克特和羅伯遜的文章時，很難不聯想到另一對獨立的修補匠，奧維爾和威爾伯·萊特兄弟。與萊特兄弟一樣，這兩位在多倫多大學相遇成為工程系學生，現在經營著他們的“設計和創新實驗室”AeroVelo 的人都對載人飛行充滿熱情。萊克特說，他們希望“激勵人們看到，如果我們真正優先考慮效率，我們還能做多少事情。”這就是為什麼他們主要使用已經存在了幾十年的材料，如輕木、泡沫塑膠和聚酯薄膜，以及為什麼他們擁抱使用人力帶來的限制。羅伯遜說，這意味著他們不能去購買更好的發動機。“你必須在不改變動力源的情況下解決你的問題。你不能只是增加它。”當然，腳踏車店老闆威爾伯和奧維爾會欣賞腳踏車在萊克特和羅伯遜的發明中所起的核心作用。除了“阿特拉斯號”之外，兩人還製造了一架成功的人力撲翼飛機，稱為撲翼機。
但萊克特和羅伯遜最像萊特兄弟的地方在於他們的方法。“萊特兄弟在機械方面很有天賦，”萊克特說。“他們知道如何調整和修理東西，但他們也具有科學的嚴謹性，這確實是你需要的結合。”
這兩位加拿大工程師不是直升機設計師，這就是為什麼他們對註定他們徒勞的科學論文一無所知。然而，他們知道的是，他們必須進行的複雜計算可能需要數小時昂貴的超級計算機時間，而他們無法負擔。而且，兩人認為他們的軟體需要改進傳統的航空設計方法，在這種方法中，結構和空氣動力學元件由不同的團隊開發，然後來回傳遞。羅伯遜說，這個過程導致“從空氣動力學方面來說不完美，從結構方面來說也不完美的解決方案。”
為了解決所有這些問題，他們需要的是一個程式，該程式可以同時合併特定於人力直升機的設計引數的結構和空氣動力學元素。它還必須執行成本低廉。而且速度要快。
因此，他們在筆記型電腦上編寫了一個為期五個月的程式碼編寫馬拉松，部分借鑑了萊克特早期為撲翼機所做的工作，該工作為他贏得了博士學位。為了從負擔不起的超級計算機轉移到筆記型電腦，他們決定放棄高保真建模能力，轉而採用中保真模型來模擬旋翼周圍的氣流等。高保真程式碼可以提供關於空氣動力學非常複雜的地方（如旋翼尖端）發生情況的精確細節。但是，儘管這種標準對於商用飛機設計是必要的，但對於低速、緩慢、易於修改的“阿特拉斯號”來說，它不是必需的。“中保真度始終可以讓你獲得，比如說，與正確答案相差 2% 以內的結果，”羅伯遜說，“這實際上是我們想要的。”
他們的定製程式使他們能夠在筆記型電腦上測試幾乎任何給定的直升機設計。他們只需插入擬議設計的數十個變數，例如旋翼幾何形狀以及碳纖維管等結構材料的重量、尺寸和失效模式。該程式會處理所有這些資料，並在幾分鐘內輸出給定飛機的最佳版本以及使其升空所需的最小功率。該程式碼現在正在 NASA 的軟體庫中使用，因為該機構喜歡它能夠非常快速地接近正確答案的方式。
萊克特和羅伯遜做出的第一個設計決定是做大：長臂和大型旋翼葉片，以最大限度地提高升力。觀看“阿特拉斯號”獲勝飛行的影片，其旋翼以每分鐘僅 10 轉的速度轉動，可能看起來太慢而無法有效。但正是它們巨大的尺寸，而不是它們的速度，提供了使機器離開地面的升力。兩人認為，之前的失敗人為地限制了直升機和旋翼的尺寸，使其能夠容納在體育館等場所，因為室外陣風對於這些精密的飛機來說過於強大而難以應對。工程師們一致認為，待在室內是明智的，但體育館太小了。這就是多倫多北部一個巨大的舊穀倉——然後是同一城市附近的足球中心——如何成為人力直升機飛行的基蒂霍克。
“阿特拉斯號”的另一個主要設計約束是其發動機的重量和功率容量——萊克特身高略超過 5 英尺 10 英寸，體重 180 磅。然而，飛機的設計將飛行員的體重限制為 165 磅，這意味著萊克特必須減掉 15 磅。他還必須在飛行過程中產生足夠的動力，將自己和 121 磅重的飛機——總共 286 磅——提升到要求的 10 英尺高度，並在空中停留要求的一分鐘時間。估計的功率目標是飛機總重量和四個旋翼尺寸的函式，最初的爆發功率約為 1000 瓦以起飛，然後在飛行的剩餘時間內保持約 600 瓦的穩定輸出。基本上，這將是一次 100 米衝刺，然後是一次稍慢的 400 米衝刺。
萊克特可以說是北美最健壯的航空工程師，他是一位專注的運動員，曾作為速滑運動員參加加拿大最高級別的比賽。作為機器的一部分，萊克特也受到他和羅伯遜對測量的痴迷。“一旦你可以測量某件事，”萊克特說，“你就可以改進它。”在他為期數月的訓練計劃中，他和羅伯遜使用了兩個測功計系統來測量他的功率輸出。當萊克特體重達到 160 磅時，他為這項事業做出了貢獻，比目標體重低了 5 磅，從而減少了飛行直升機所需的能量，而沒有顯著降低發動機功率。
為了確保最佳效能，精英運動員通常會安排他們的訓練時間，以便他們在比賽前達到最佳體能水平。然而，反覆的技術延誤迫使萊克特將他的最佳力量和體能水平保持了九個多月。令人難以置信的是，在獲勝的飛行中，他實際上超過了目標，在前 12 秒內產生了 1100 瓦（接近 1.5 馬力）的功率，然後在“阿特拉斯號”整個 64 秒的飛行時間內降至平均 690 瓦。
萊克特、羅伯遜和他們在多倫多大學的八名學生團隊在 2012 年夏天建造了“阿特拉斯號”。儘管他們正在建造一臺神奇的機器來實現“不可能”的目標，但萊克特和羅伯遜並沒有在不必要的努力或奇異材料上浪費時間和金錢。只要有可能，他們就會採用現有的解決方案，使用經過驗證的“即插即用”元件來降低成本，並讓他們能夠專注於更棘手的問題。例如，他們沒有製造定製的超輕型腳踏車，而是改裝了一輛庫存的 Cervélo R5ca，這是最輕的量產公路腳踏車之一。正如羅伯遜喜歡對有時他會演講的高中團體說的那樣，用於建造“阿特拉斯號”的大部分材料都可以在邁克爾斯等工藝品和愛好品商店買到。他們使用最新的產品是 Vectran，一種液晶聚合物纖維，用於高科技線纜，具有出色的強度和零蠕變——一旦載入，它就不會拉伸。
萊克特說，在多倫多北部的穀倉裡，複雜的數學和酷炫的演算法讓位於直覺和反覆試驗。這個過程的早期受害者之一是“阿特拉斯號”的控制系統，這是一種由槓桿和電線組成的複雜裝置，連線到旋翼尖端的小型 L 形翼面（稱為鴨翼）。它應該透過改變旋翼的槳距來防止直升機漂移到西科斯基獎規則規定的 10 米見方（33 英尺見方）的方框外。
但是，由於飛行員的操作和結果之間存在過多的滯後時間，精密的控制系統根本不起作用。“它在機械上真的很酷，”羅伯遜說，但它無法抵消漂移。因此，他們用一個更簡單的系統取代了它，重新佈線了幾根電纜，將腳踏車的底部連線到四個旋翼的軸上。飛行員透過向前傾斜來向前移動，向左傾斜來向左移動，依此類推來控制漂移。“我仍然不敢相信它奏效了，”萊克特說，在獲勝飛行的影片中，可以看到他大部分時間都在向右傾斜。它不僅使“阿特拉斯號”更容易飛行，而且還使飛機的總重量減輕了 10%。再加上阻力降低，這使得功率需求降低了驚人的 20%。
在測試過程中，脆弱的飛機部件一直都在斷裂，包括在成功飛行前幾周發生的兩次壯觀的墜機事故。這兩次事故都是由一種稱為渦環狀態的空氣動力學現象引起的，在這種現象中，轉動的旋翼會浸入它們已經向下推的空氣中並失去升力。兩位工程師仔細檢查了旋翼，發現前緣不夠光滑：聚酯薄膜蒙皮是在他們爭分奪秒完成飛機時匆忙應用的，存在粗糙點，產生了過多的阻力。因此，兩人小心地平滑了蒙皮。他們還縮短了碳纖維支柱，並加強了旋翼臂上的鋼絲支撐系統。
修復工作奏效了。在第二次墜機事故發生八週後，他們贏得了西科斯基獎。顯示那次飛行的影片，其中萊克特看起來像是在駕駛某種裝有巨大螺旋槳的瘋狂的橫向建築起重機，在 YouTube 上的觀看次數已超過 310 萬次。比賽旨在激勵下一代工程師並吸引公眾的想象力，從 YouTube 的指標來看，“阿特拉斯號”的飛行取得了成功。
在萊克特獲勝飛行後，團隊的每位成員都有機會駕駛“阿特拉斯號”飛行，每個人都至少離地面一兩英尺。“在那一天之前，”羅伯遜說，“登上月球表面的人比駕駛人力直升機飛行的人還多。我們使這個數字翻了一番。”
當萊克特談到他和羅伯遜成功的原因時，他超越了技術層面。他談到了他們致力於做不可能的事情，或者至少嘗試做不可能的事情。“你必須設定瘋狂的目標，”他說，“因為那是激勵人們的原因。”
羅伯遜抱怨說，有大量缺乏靈感的目標設定。燃油效率標準是他的首要例子。他說，政府為提高整體汽車車隊燃油效率做出的令人欽佩的努力，例如美國目前到 2025 年達到每加侖 54.5 英里的目標，比當前標準提高了 88%，還不夠雄心勃勃。“但是，如果政府突然強制要求燃油經濟性提高 1000%，”他說，“那麼你就迫使每個人都停下來，以完全不同的方式思考這個問題。”他認為，這可能有助於開啟超高效交通運輸的新時代。
由於顯而易見的原因，這在政治和政策領域也是完全不可能的。萊克特和羅伯遜知道這一點。他們希望如此崇高的目標能夠做的是培養一種看待看似棘手問題的新方式。“承擔不可能的任務不一定更容易，”萊克特說，“但它更令人滿意，更具激勵性，而且最終也更重要。”
今年秋天，這兩位男士試圖在內華達州巴特爾山舉行的比賽中打破 83.127 英里/小時的腳踏車世界速度紀錄，但失敗了，差距約為每小時 4.5 英里。明年，他們將重返天空，追求另一項數十年來尚未實現的人力挑戰——克雷默獎，該獎項為在一小時或更短時間內完成 26.2 英里飛行的飛行提供 5 萬英鎊的獎勵。他們已經在確定約束和假設，並有信心再次贏得一場不太可能的勝利。
由於唯一達到該速度的人力飛機在飛行約兩分鐘後就降落了，遠未達到馬拉松距離，因此人們可能會得出結論，該獎項的要求“無法實際實現”。人們也可能會正確地得出結論，這正是萊克特和羅伯遜想聽到的。