2011 年，托德·莱克特和卡梅伦·罗伯逊着手制造一架人力直升机，使其能够飞到 10 英尺高空并在空中悬停 60 秒，他们面临一个主要障碍：这被认为是“不可能”的。
专家们在经历了 30 年的失败和坠机后得出了这个结论，最早可追溯到 1980 年，当时美国直升机协会（现为 AHS International）设立了一个奖项，最终价值 25 万美元，奖励成功的人力飞行。所有证据都表明，单靠飞行员自身的力量根本无法产生足够的动力来飞到那么高并持续那么长时间。英国曼彻斯特大学的航空工程师安东尼奥·菲利波内在 2007 年《美国直升机协会杂志》上发表的一篇论文中演算了数据，并报告说这个想法——以及任何基于此的飞机——根本无法飞行：“总的来说，美国直升机协会的所有要求……都无法……实际实现。”
莱克特（32 岁）和罗伯逊（27 岁）在赢得奖金和奖项（被称为 AHS 西科斯基奖）后，才了解到菲利波内的论文。他们在 2013 年 6 月凭借其巨型四旋翼自行车动力机器“阿特拉斯号”创纪录的飞行赢得了该奖项。
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“阿特拉斯号”就像用保罗·班扬的埃雷克特积木搭建的超棒玩具，它具有四个骨架梁，由碳纤维管和高科技线缆纤维制成，组装成巨大的拱形 X 形，对角跨度为 88 英尺。四个旋翼，每个直径 67 英尺，带有轻木肋和透明的聚酯薄膜蒙皮，位于 X 形的每个臂的末端。从其中心垂下来的线上，悬挂着一辆改装的赛车自行车，中心拱起离地面 12 英尺，莱克特是“阿特拉斯号”的人力发动机，他提供脚踏动力，通过由线轴和线缆组成的复杂系统转动旋翼。这种能量将这个 121 磅重的飞行器抬离地面。
他们的 64 秒飞行，在之前那么多人失败之后，证明在一个由洛克希德·马丁和诺斯罗普·格鲁曼等大型公司的庞大工程师团队主导的时代，一个小型、灵活的团队可以解决最棘手的问题。西科斯基飞机公司高级工程师、2013 年西科斯基奖委员会主席本杰明·海因表示，年轻的设计师们必须弄清楚具有非常有限的动力源的飞机的理想尺寸和重量、最佳旋翼设计以及可行的飞行控制系统。他指出，行业可以从中吸取重要的教训，其中最主要的是莱克特和罗伯逊愿意接受失败并快速做出重大设计变更。“这是大型公司无法做到的，”海因说。
在另一次少数人力量的展示中，莱克特和罗伯逊编写的用于优化其设计的笔记本电脑程序现在已成为 NASA 软件工具包的一部分，该工具包用于配置旨在比“阿特拉斯号”飞行更远的飞行器。明年，这两位工程师计划亲自使用它来设计一架人力飞机，以角逐克雷默马拉松奖，该奖项将颁给第一个在一小时内完成 26 英里航程的飞行器。（目前的速度记录为每小时 27.5 英里，是在一次持续两分多钟的飞行中创下的。）
在撰写关于莱克特和罗伯逊的文章时，很难不联想到另一对独立的修补匠，奥维尔和威尔伯·莱特兄弟。与莱特兄弟一样，这两位在多伦多大学相遇成为工程系学生，现在经营着他们的“设计和创新实验室”AeroVelo 的人都对载人飞行充满热情。莱克特说，他们希望“激励人们看到，如果我们真正优先考虑效率，我们还能做多少事情。”这就是为什么他们主要使用已经存在了几十年的材料，如轻木、泡沫塑料和聚酯薄膜，以及为什么他们拥抱使用人力带来的限制。罗伯逊说，这意味着他们不能去购买更好的发动机。“你必须在不改变动力源的情况下解决你的问题。你不能只是增加它。”当然，自行车店老板威尔伯和奥维尔会欣赏自行车在莱克特和罗伯逊的发明中所起的核心作用。除了“阿特拉斯号”之外，两人还制造了一架成功的人力扑翼飞机，称为扑翼机。
但莱克特和罗伯逊最像莱特兄弟的地方在于他们的方法。“莱特兄弟在机械方面很有天赋，”莱克特说。“他们知道如何调整和修理东西，但他们也具有科学的严谨性，这确实是你需要的结合。”
这两位加拿大工程师不是直升机设计师，这就是为什么他们对注定他们徒劳的科学论文一无所知。然而，他们知道的是，他们必须进行的复杂计算可能需要数小时昂贵的超级计算机时间，而他们无法负担。而且，两人认为他们的软件需要改进传统的航空设计方法，在这种方法中，结构和空气动力学组件由不同的团队开发，然后来回传递。罗伯逊说，这个过程导致“从空气动力学方面来说不完美，从结构方面来说也不完美的解决方案。”
为了解决所有这些问题，他们需要的是一个程序，该程序可以同时合并特定于人力直升机的设计参数的结构和空气动力学元素。它还必须运行成本低廉。而且速度要快。
因此，他们在笔记本电脑上编写了一个为期五个月的代码编写马拉松，部分借鉴了莱克特早期为扑翼机所做的工作，该工作为他赢得了博士学位。为了从负担不起的超级计算机转移到笔记本电脑，他们决定放弃高保真建模能力，转而采用中保真模型来模拟旋翼周围的气流等。高保真代码可以提供关于空气动力学非常复杂的地方（如旋翼尖端）发生情况的精确细节。但是，尽管这种标准对于商用飞机设计是必要的，但对于低速、缓慢、易于修改的“阿特拉斯号”来说，它不是必需的。“中保真度始终可以让你获得，比如说，与正确答案相差 2% 以内的结果，”罗伯逊说，“这实际上是我们想要的。”
他们的定制程序使他们能够在笔记本电脑上测试几乎任何给定的直升机设计。他们只需插入拟议设计的数十个变量，例如旋翼几何形状以及碳纤维管等结构材料的重量、尺寸和失效模式。该程序会处理所有这些数据，并在几分钟内输出给定飞机的最佳版本以及使其升空所需的最小功率。该代码现在正在 NASA 的软件库中使用，因为该机构喜欢它能够非常快速地接近正确答案的方式。
莱克特和罗伯逊做出的第一个设计决定是做大：长臂和大型旋翼叶片，以最大限度地提高升力。观看“阿特拉斯号”获胜飞行的视频，其旋翼以每分钟仅 10 转的速度转动，可能看起来太慢而无法有效。但正是它们巨大的尺寸，而不是它们的速度，提供了使机器离开地面的升力。两人认为，之前的失败人为地限制了直升机和旋翼的尺寸，使其能够容纳在体育馆等场所，因为室外阵风对于这些精密的飞机来说过于强大而难以应对。工程师们一致认为，待在室内是明智的，但体育馆太小了。这就是多伦多北部一个巨大的旧谷仓——然后是同一城市附近的足球中心——如何成为人力直升机飞行的基蒂霍克。
“阿特拉斯号”的另一个主要设计约束是其发动机的重量和功率容量——莱克特身高略超过 5 英尺 10 英寸，体重 180 磅。然而，飞机的设计将飞行员的体重限制为 165 磅，这意味着莱克特必须减掉 15 磅。他还必须在飞行过程中产生足够的动力，将自己和 121 磅重的飞机——总共 286 磅——提升到要求的 10 英尺高度，并在空中停留要求的一分钟时间。估计的功率目标是飞机总重量和四个旋翼尺寸的函数，最初的爆发功率约为 1000 瓦以起飞，然后在飞行的剩余时间内保持约 600 瓦的稳定输出。基本上，这将是一次 100 米冲刺，然后是一次稍慢的 400 米冲刺。
莱克特可以说是北美最健壮的航空工程师，他是一位专注的运动员，曾作为速滑运动员参加加拿大最高级别的比赛。作为机器的一部分，莱克特也受到他和罗伯逊对测量的痴迷。“一旦你可以测量某件事，”莱克特说，“你就可以改进它。”在他为期数月的训练计划中，他和罗伯逊使用了两个测功计系统来测量他的功率输出。当莱克特体重达到 160 磅时，他为这项事业做出了贡献，比目标体重低了 5 磅，从而减少了飞行直升机所需的能量，而没有显着降低发动机功率。
为了确保最佳性能，精英运动员通常会安排他们的训练时间，以便他们在比赛前达到最佳体能水平。然而，反复的技术延误迫使莱克特将他的最佳力量和体能水平保持了九个多月。令人难以置信的是，在获胜的飞行中，他实际上超过了目标，在前 12 秒内产生了 1100 瓦（接近 1.5 马力）的功率，然后在“阿特拉斯号”整个 64 秒的飞行时间内降至平均 690 瓦。
莱克特、罗伯逊和他们在多伦多大学的八名学生团队在 2012 年夏天建造了“阿特拉斯号”。尽管他们正在建造一台神奇的机器来实现“不可能”的目标，但莱克特和罗伯逊并没有在不必要的努力或奇异材料上浪费时间和金钱。只要有可能，他们就会采用现有的解决方案，使用经过验证的“即插即用”元件来降低成本，并让他们能够专注于更棘手的问题。例如，他们没有制造定制的超轻型自行车，而是改装了一辆库存的 Cervélo R5ca，这是最轻的量产公路自行车之一。正如罗伯逊喜欢对有时他会演讲的高中团体说的那样，用于建造“阿特拉斯号”的大部分材料都可以在迈克尔斯等工艺品和爱好品商店买到。他们使用最新的产品是 Vectran，一种液晶聚合物纤维，用于高科技线缆，具有出色的强度和零蠕变——一旦加载，它就不会拉伸。
莱克特说，在多伦多北部的谷仓里，复杂的数学和酷炫的算法让位于直觉和反复试验。这个过程的早期受害者之一是“阿特拉斯号”的控制系统，这是一种由杠杆和电线组成的复杂装置，连接到旋翼尖端的小型 L 形翼面（称为鸭翼）。它应该通过改变旋翼的桨距来防止直升机漂移到西科斯基奖规则规定的 10 米见方（33 英尺见方）的方框外。
但是，由于飞行员的操作和结果之间存在过多的滞后时间，精密的控制系统根本不起作用。“它在机械上真的很酷，”罗伯逊说，但它无法抵消漂移。因此，他们用一个更简单的系统取代了它，重新布线了几根电缆，将自行车的底部连接到四个旋翼的轴上。飞行员通过向前倾斜来向前移动，向左倾斜来向左移动，依此类推来控制漂移。“我仍然不敢相信它奏效了，”莱克特说，在获胜飞行的视频中，可以看到他大部分时间都在向右倾斜。它不仅使“阿特拉斯号”更容易飞行，而且还使飞机的总重量减轻了 10%。再加上阻力降低，这使得功率需求降低了惊人的 20%。
在测试过程中，脆弱的飞机部件一直都在断裂，包括在成功飞行前几周发生的两次壮观的坠机事故。这两次事故都是由一种称为涡环状态的空气动力学现象引起的，在这种现象中，转动的旋翼会浸入它们已经向下推的空气中并失去升力。两位工程师仔细检查了旋翼，发现前缘不够光滑：聚酯薄膜蒙皮是在他们争分夺秒完成飞机时匆忙应用的，存在粗糙点，产生了过多的阻力。因此，两人小心地平滑了蒙皮。他们还缩短了碳纤维支柱，并加强了旋翼臂上的钢丝支撑系统。
修复工作奏效了。在第二次坠机事故发生八周后，他们赢得了西科斯基奖。显示那次飞行的视频，其中莱克特看起来像是在驾驶某种装有巨大螺旋桨的疯狂的横向建筑起重机，在 YouTube 上的观看次数已超过 310 万次。比赛旨在激励下一代工程师并吸引公众的想象力，从 YouTube 的指标来看，“阿特拉斯号”的飞行取得了成功。
在莱克特获胜飞行后，团队的每位成员都有机会驾驶“阿特拉斯号”飞行，每个人都至少离地面一两英尺。“在那一天之前，”罗伯逊说，“登上月球表面的人比驾驶人力直升机飞行的人还多。我们使这个数字翻了一番。”
当莱克特谈到他和罗伯逊成功的原因时，他超越了技术层面。他谈到了他们致力于做不可能的事情，或者至少尝试做不可能的事情。“你必须设定疯狂的目标，”他说，“因为那是激励人们的原因。”
罗伯逊抱怨说，有大量缺乏灵感的目标设定。燃油效率标准是他的首要例子。他说，政府为提高整体汽车车队燃油效率做出的令人钦佩的努力，例如美国目前到 2025 年达到每加仑 54.5 英里的目标，比当前标准提高了 88%，还不够雄心勃勃。“但是，如果政府突然强制要求燃油经济性提高 1000%，”他说，“那么你就迫使每个人都停下来，以完全不同的方式思考这个问题。”他认为，这可能有助于开启超高效交通运输的新时代。
由于显而易见的原因，这在政治和政策领域也是完全不可能的。莱克特和罗伯逊知道这一点。他们希望如此崇高的目标能够做的是培养一种看待看似棘手问题的新方式。“承担不可能的任务不一定更容易，”莱克特说，“但它更令人满意，更具激励性，而且最终也更重要。”
今年秋天，这两位男士试图在内华达州巴特尔山举行的比赛中打破 83.127 英里/小时的自行车世界速度纪录，但失败了，差距约为每小时 4.5 英里。明年，他们将重返天空，追求另一项数十年来尚未实现的人力挑战——克雷默奖，该奖项为在一小时或更短时间内完成 26.2 英里飞行的飞行提供 5 万英镑的奖励。他们已经在确定约束和假设，并有信心再次赢得一场不太可能的胜利。
由于唯一达到该速度的人力飞机在飞行约两分钟后就降落了，远未达到马拉松距离，因此人们可能会得出结论，该奖项的要求“无法实际实现”。人们也可能会正确地得出结论，这正是莱克特和罗伯逊想听到的。