早在伊卡洛斯嘗試不幸的航空飛行時，人類就一直在鳥類身上尋找靈感，以進行我們的空中探索。但是，使用靈活的羽毛翅膀進行真正的鳥類般的飛行長期以來一直困擾著我們；其中一個原因是，工程師們一直在努力理解鳥類如何控制翅膀羽毛。但兩項新研究可能會改變這種情況。研究人員最近設計並試飛了一種帶有羽毛翅膀的機器人，它可以像鳥類一樣在飛行中改變形狀，使其比剛性無人機具有更大的機動性。
為了設計這種帶翼機器人，研究人員首先使用運動捕捉影片來檢查鴿子在飛行時如何摺疊和彎曲它們的翅膀。根據結果，他們確定可以控制機器人（他們將其稱為“鴿子機器人”）每側機翼上的 20 根羽毛——透過連線到僅兩個關節的彈性帶。他們還使用現代成像技術，深入瞭解了許多鳥類物種的微觀結構如何在飛行過程中暫時將羽毛相互鉤住。鴿子機器人需要真羽毛才能工作，因此研究人員仍然必須找到人工複製羽毛特性的方法，才能將該技術提升到新的水平。
來源：倫廷克實驗室 斯坦福大學
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該研究的合著者、斯坦福大學的機械工程師埃裡克·張說，科學家們對機器人的機翼和羽毛運動進行了與活鴿子非常接近的建模。鴿子可以透過改變翅膀形狀來急轉彎和傾斜，這是研究人員希望構建到他們的飛行器中的一個屬性。運動捕捉鏡頭顯示，鴿子主要透過開啟和關閉腕關節來做到這一點。
研究人員構建了一個原型——一個帶有板載電子制導系統和控制真鴿子羽毛的彈性帶的泡沫板機身——之後，他們首先在風洞中彎曲了它的翅膀，以確定它是否可以在狂風暴雨的現實世界條件下工作。它奏效了，為實驗室外的滑翔和轉彎測試鋪平了道路。張從地面操控鴿子機器人，並將其描述為一次令人難以置信的神經緊張的體驗：“[當]我們完好無損地著陸時，我記得之後我癱倒在地上，感到如釋重負，”他說。科學家們於一月份在《科學機器人》雜誌上發表了他們的研究結果。
鴿子羽毛可以自動附著到相鄰的羽毛上，形成光滑、柔韌的飛行表面，而鴿子機器人的製造者必須弄清楚具體是如何實現的。像許多鳥類物種一樣，鴿子透過稱為小葉纖毛的微觀結構來完成這項工作，鳥類學家在 20 世紀初就記錄了這些結構。但史密森尼國家自然歷史博物館的動物學家特蕾莎·費奧說，部分原因是當時光學顯微鏡的侷限性，他們認為鳥類的小葉纖毛的工作原理只是增加羽毛之間的摩擦力，很像摩擦砂紙一樣。費奧為該團隊發表在《科學》雜誌上的第二篇論文做出了貢獻，該論文也在一月份發表。“我們發現的是小葉纖毛的實際機制——它不是摩擦，而是鉤住，”費奧說。該團隊演示了當鳥類摺疊翅膀時這些纖毛如何釋放，以及當翅膀伸展時如何再次相互抓住。
該研究的合著者、斯坦福大學的機械工程師勞拉·馬特洛夫說，現代分析技術，如掃描電子顯微鏡和 X 射線顯微鏡以及 CT 掃描，使他們的新理解成為可能。“我們是第一個真正使用這種新儀器重新審視[小葉纖毛]的人，”她說。
但是，關於天然羽毛的工作原理仍然存在謎團。研究小組發現，穀倉貓頭鷹和夜鷹的羽毛中明顯缺少纖毛，這兩種物種都在夜間潛伏捕食獵物。像尼龍搭扣一樣，這些微觀結構在分離時會發出噪音；在這些隱秘的獵人中，進化可能偏愛靜音飛行而不是羽毛連線。“很明顯，這是一個趨同進化的例子，其中存在權衡，”德克薩斯大學奧斯汀分校的古生物學家朱莉婭·克拉克說，她沒有參與這兩項研究。克拉克對纖毛的進化歷史很感興趣，儘管她說這些微小結構可能很難在化石記錄中找到。
模擬有助於使飛行表面柔軟而堅固的特徵可能在設計人工變形機翼（構建下一代無人機的關鍵步驟）方面非常寶貴。典型的四旋翼式無人機機動性強，擅長懸停在空中，但張說，帶翼無人機可能更快、更安靜。斯坦福大學的團隊正在研究如何最好地設計，不僅是“實際的機翼形狀，可以為您提供更高的效率，而且[能夠]非常動態地改變機翼形狀”，以實現流線型飛行，他說。
蘇塞克斯大學的生物靈感機器人專家菲爾·赫斯班茲說，這項研究“為新型仿生飛行機器人指明瞭方向，這些機器人可能有很多有用的應用”，他沒有參與這兩項研究中的任何一項。“未來一個有趣的挑戰可能是開發能夠匹配真羽毛變形能力的柔軟人工羽毛。”
斯坦福大學的航空航天工程師和實驗動物學家、這兩項研究的首席研究員大衛·倫廷克說，柔軟的羽毛翅膀“在航空航天工程中是完全不尋常的”——而製造出可工作的人工羽毛仍然是一項重大挑戰。他補充說，像小葉纖毛這樣的結構目前對於 3D 印表機來說太小了，無法處理。
不過，倫廷克說，鴿子機器人目前的化身可以幫助動物學家更好地瞭解鳥類在飛行過程中如何控制它們的翅膀。在風洞中研究活鳥很困難，幾乎不可能訓練它們僅根據命令移動手腕或單個手指關節。“我的目標是開發更逼真的鳥類模型，並提供一系列飛行方式截然不同的物種，”他補充道。博物館擁有豐富的羽毛，可以用於模仿其他鳥類的機器人，使科學家能夠研究“飛行的多樣性”，倫廷克解釋說。用機器人代替有知覺的動物可以減少動物研究的需求。“你可以用這些機器人研究很多東西，”他說。“由此衍生出許多科學問題。”