傳說在 2000 多年前，魯班用竹木做了一只木鳥。做成之后，這只木鳥立刻展翅而飛，三日都不曾落下。但由于年代久遠，這一典故已很難考證。100 多年前，萊特兄弟發明了飛機，但眾所周知，飛機的機翼和鳥兒的翅膀并不是一回事，因為前者沒有模仿鳥兒翅膀的變形運動等復雜機制。那么，人類真的可以借助鳥兒一樣的「翅膀」飛上天空嗎？近日，《Science》和《Science Robotics》上的兩篇新論文表明，斯坦福大學的研究者已經造出了這樣的翅膀。

　　《墨子·魯問篇》中記載：「公輸子削竹木以為鵲，成而飛之，三日不下。」

傳說中魯班做的「木鳥」

　　千百年來，人類從未停止過追求如鳥類一般自由飛翔。憑借著一對靈活的羽毛翅膀，鳥類可以在天空中飛行，飛越海洋和大陸。一百多年前，人類受鳥類啟發發明了飛機，依靠堅硬的機翼和螺旋槳來飛向既定的方向。

　　但傳統機翼的缺陷也很明顯：它既會給你想要的升力，也會產生你不需要的阻力。飛機誕生之后，人類仍然在追求對鳥類飛行進行更精確的模擬。

　　近日，《Science》和《Science Robotics》雜志分別刊登了來自斯坦福大學的兩篇論文，在這兩項研究中，研究者揭示了鳥類是如何通過調整翅膀形狀來控制飛行的。他們為一個叫做「PigeonBot」的飛行機器人裝上一款半生物半機械的「可變形翅膀」。

斯坦福大學研究者研發的人造翅膀。

　　與之前的飛機機翼等「翅膀」不同，斯坦福研究者開發的這款「翅膀」是用真的羽毛做的。插上這雙翅膀的「鴿子機器人」不僅能在天空滑翔，還能在空中通過收縮、伸展翅膀完成轉彎、爬升等動作。

「鴿子機器人」羽翼振動高清示意圖。　　

鴿子機器人在空中滑翔。

鴿子機器人通過羽翼的收縮、伸展完成轉彎、爬升等動作。

　　真實的鳥類翅膀是非常靈活的，可以改變形狀，大多數鳥類都可以將翅膀向后折疊，以此來減少表面接觸面積。這樣一來就可以根據飛行狀態靈活切換，長翼用來高飛和轉彎，短翼用來調整速度。

　　近年來，人類一直在進行人造羽毛方面的嘗試，但尚未制造出接近真正鳥類翅膀的羽毛。

　　三年前，瑞士洛桑聯邦理工學院的一所實驗室曾試飛過一種帶有羽毛折疊翼的無人機，它有羽毛，并且會在飛行時候轉換翅膀的傾斜角度和折疊方式。

如圖所示，（a）為機翼的 3D 模型。

　　由（c）到（e）則展示了三種飛行形態：完全展開，不對稱，完全折疊。它仍然屬于剛性的折疊變換。

　　與之前的研究不同，斯坦福的研究者沒有將精力花在制造仿真羽毛上，因為他們覺得與制造羽毛相比，更關鍵的是如何復制一雙靈活的翅膀，即模仿鳥類翅膀的內部結構和運動機制。

　　研究人員發現，鳥類羽毛的單獨控制更多的是自動而不是手動。而且，羽毛上微小的微觀結構形成了一種單向尼龍搭扣式的材料，可以使這些羽毛形成一個連續的曲面，而不是一堆互不相連的曲面。

　　他們打造的這款鴿子機器人重 280 克，翼展 80 厘米，翅膀上有 40 根羽毛。但是，該機器人的推力靠的并不是翅膀，而是安在前方的推進器，羽毛翅膀用來控制方向和操縱。

鴿子機器人羽翼主體包含四部分：肱骨、橈骨、尺骨和前肢。

　　使用真實羽毛解決了羽毛的制造難題，但需要想出一種方法來協調所有羽毛之間的復雜關系，正是這種相互作用在控制著真實鳥類的翅膀形變。

　　通過研究真實的羽毛，研究人員發現，相鄰的羽毛互相粘在一起，借助一種名為「定向尼龍扣」的微米級結構，防止向一個方向滑動，這一發現對于「科學和技術來說都是全新的」。

鴿子機器人整體羽翼架構包含一個螺旋槳驅動的儀表板和一個欠驅動的真實羽毛變形翼。

　　在這個「鴿子機器人」中，真實的羽毛通過彈性連接的方式附著在這雙機械翅膀上，翅膀上的腕關節和指關節都能單獨驅動。

　　鴿子機器人借助自己的混合系統進行操控，而推力和額外的穩定控制來自推進器和傳統型尾翼。研究者發現，這個鴿子機器人的翻轉可以僅通過翅膀上的指關節運動來控制，而且這項技術比傳統飛行器用到的副翼橫滾要穩定得多。

在氣動模擬中，羽翼的不對稱變形可以使鴿子機器人做出耦合橫滾和反向偏航等動作。

　　研究團隊稱，這款鴿子機器人的機動性更強，并且也能夠承受更高的風速。目前，PigeonBot 只是一款原型。這項研究對于改進現有飛行器的機翼設計非常有啟發意義。

　　鴿子機器人主要參與者 Eric Chang

　　Eric Chang 分別是這兩篇論文的一作和二作。他現在是斯坦福大學機械工程系博士研究生，在 Lentink Lab 專注于研究鳥類羽翼和尾部變形技術，以更好地理解鳥類如何在復雜的城市和湍流環境中導航。該實驗室主要通過研究各種鳥類的飛行來開發更好的飛行機器人。

斯坦福大學博士生 Eric Chang。

　　據他的領英主頁顯示，Eric Chang 本科畢業于亞利桑那州大學，期間在新加坡國立大學交流學習一年。自 2015 年起，他開始了在斯坦福大學機械工程系的碩博研究生涯。

　　關于「鴿子機器人」的研究細節，可以參考以下兩篇論文：

• 《Science》論文：https://science.sciencemag.org/content/367/6475/293
• 《Science Robotics》論文：https://robotics.sciencemag.org/content/5/38/eaay1246

總結

以上是生活随笔為你收集整理的真·鲁班：斯坦福学者造出带羽毛翅膀的机器鸽，登上Science及其子刊的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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