早在伊卡洛斯尝试不幸的航空飞行时，人类就一直在鸟类身上寻找灵感，以进行我们的空中探索。但是，使用灵活的羽毛翅膀进行真正的鸟类般的飞行长期以来一直困扰着我们；其中一个原因是，工程师们一直在努力理解鸟类如何控制翅膀羽毛。但两项新研究可能会改变这种情况。研究人员最近设计并试飞了一种带有羽毛翅膀的机器人，它可以像鸟类一样在飞行中改变形状，使其比刚性无人机具有更大的机动性。
为了设计这种带翼机器人，研究人员首先使用运动捕捉视频来检查鸽子在飞行时如何折叠和弯曲它们的翅膀。根据结果，他们确定可以控制机器人（他们将其称为“鸽子机器人”）每侧机翼上的 20 根羽毛——通过连接到仅两个关节的弹性带。他们还使用现代成像技术，深入了解了许多鸟类物种的微观结构如何在飞行过程中暂时将羽毛相互钩住。鸽子机器人需要真羽毛才能工作，因此研究人员仍然必须找到人工复制羽毛特性的方法，才能将该技术提升到新的水平。
来源：伦廷克实验室 斯坦福大学
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该研究的合著者、斯坦福大学的机械工程师埃里克·张说，科学家们对机器人的机翼和羽毛运动进行了与活鸽子非常接近的建模。鸽子可以通过改变翅膀形状来急转弯和倾斜，这是研究人员希望构建到他们的飞行器中的一个属性。运动捕捉镜头显示，鸽子主要通过打开和关闭腕关节来做到这一点。
研究人员构建了一个原型——一个带有板载电子制导系统和控制真鸽子羽毛的弹性带的泡沫板机身——之后，他们首先在风洞中弯曲了它的翅膀，以确定它是否可以在狂风暴雨的现实世界条件下工作。它奏效了，为实验室外的滑翔和转弯测试铺平了道路。张从地面操控鸽子机器人，并将其描述为一次令人难以置信的神经紧张的体验：“[当]我们完好无损地着陆时，我记得之后我瘫倒在地上，感到如释重负，”他说。科学家们于一月份在《科学机器人》杂志上发表了他们的研究结果。
鸽子羽毛可以自动附着到相邻的羽毛上，形成光滑、柔韧的飞行表面，而鸽子机器人的制造者必须弄清楚具体是如何实现的。像许多鸟类物种一样，鸽子通过称为小叶纤毛的微观结构来完成这项工作，鸟类学家在 20 世纪初就记录了这些结构。但史密森尼国家自然历史博物馆的动物学家特蕾莎·费奥说，部分原因是当时光学显微镜的局限性，他们认为鸟类的小叶纤毛的工作原理只是增加羽毛之间的摩擦力，很像摩擦砂纸一样。费奥为该团队发表在《科学》杂志上的第二篇论文做出了贡献，该论文也在一月份发表。“我们发现的是小叶纤毛的实际机制——它不是摩擦，而是钩住，”费奥说。该团队演示了当鸟类折叠翅膀时这些纤毛如何释放，以及当翅膀伸展时如何再次相互抓住。
该研究的合著者、斯坦福大学的机械工程师劳拉·马特洛夫说，现代分析技术，如扫描电子显微镜和 X 射线显微镜以及 CT 扫描，使他们的新理解成为可能。“我们是第一个真正使用这种新仪器重新审视[小叶纤毛]的人，”她说。
但是，关于天然羽毛的工作原理仍然存在谜团。研究小组发现，谷仓猫头鹰和夜鹰的羽毛中明显缺少纤毛，这两种物种都在夜间潜伏捕食猎物。像尼龙搭扣一样，这些微观结构在分离时会发出噪音；在这些隐秘的猎人中，进化可能偏爱静音飞行而不是羽毛连接。“很明显，这是一个趋同进化的例子，其中存在权衡，”德克萨斯大学奥斯汀分校的古生物学家朱莉娅·克拉克说，她没有参与这两项研究。克拉克对纤毛的进化历史很感兴趣，尽管她说这些微小结构可能很难在化石记录中找到。
模拟有助于使飞行表面柔软而坚固的特征可能在设计人工变形机翼（构建下一代无人机的关键步骤）方面非常宝贵。典型的四旋翼式无人机机动性强，擅长悬停在空中，但张说，带翼无人机可能更快、更安静。斯坦福大学的团队正在研究如何最好地设计，不仅是“实际的机翼形状，可以为您提供更高的效率，而且[能够]非常动态地改变机翼形状”，以实现流线型飞行，他说。
苏塞克斯大学的生物灵感机器人专家菲尔·赫斯班兹说，这项研究“为新型仿生飞行机器人指明了方向，这些机器人可能有很多有用的应用”，他没有参与这两项研究中的任何一项。“未来一个有趣的挑战可能是开发能够匹配真羽毛变形能力的柔软人工羽毛。”
斯坦福大学的航空航天工程师和实验动物学家、这两项研究的首席研究员大卫·伦廷克说，柔软的羽毛翅膀“在航空航天工程中是完全不寻常的”——而制造出可工作的人工羽毛仍然是一项重大挑战。他补充说，像小叶纤毛这样的结构目前对于 3D 打印机来说太小了，无法处理。
不过，伦廷克说，鸽子机器人目前的化身可以帮助动物学家更好地了解鸟类在飞行过程中如何控制它们的翅膀。在风洞中研究活鸟很困难，几乎不可能训练它们仅根据命令移动手腕或单个手指关节。“我的目标是开发更逼真的鸟类模型，并提供一系列飞行方式截然不同的物种，”他补充道。博物馆拥有丰富的羽毛，可以用于模仿其他鸟类的机器人，使科学家能够研究“飞行的多样性”，伦廷克解释说。用机器人代替有知觉的动物可以减少动物研究的需求。“你可以用这些机器人研究很多东西，”他说。“由此衍生出许多科学问题。”