科學(xué)探索：給機(jī)翼裝上羽毛

在很早以前，人類就開始從鳥類身上尋找飛行的靈感了。這樣的例子最早可以追溯到希臘神話故事中的伊卡洛斯（Icarus），他給自己貼滿羽毛后朝著太陽飛翔，但是溫度升高后，粘結(jié)羽毛的蠟融化了，他也摔了下來。到目前為止，人造飛行器一直無法像鳥類一樣，用帶有羽毛的可變機(jī)翼飛行，因?yàn)楣こ處焸兪冀K不清楚鳥類是如何控制它們翅膀上的羽毛的。

新發(fā)表的兩項(xiàng)研究或許有助于改變這種現(xiàn)狀。最近，研究人員設(shè)計(jì)并試飛了一種安裝有羽毛的可變翼遙控飛行器，它可以像鳥類一樣在飛行途中改變機(jī)翼的形狀。與硬質(zhì)的固定翼無人機(jī)相比，它擁有更好的操控性。

為了設(shè)計(jì)出這種遙控飛行器，研究人員首先用運(yùn)動(dòng)捕捉視頻檢測了鴿子在飛行時(shí)的動(dòng)作，包括折疊和彎曲羽翼的方式。根據(jù)檢測結(jié)果，他們可以為遙控飛行器的雙側(cè)機(jī)翼各裝配20支羽毛，并且可以有效地控制每支羽毛的行動(dòng)。這就是他們口中的“鴿式機(jī)器人”，相鄰兩片羽毛之間僅由彈性橡筋連接。在分析捕捉到的影像時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)秘密：鳥類在飛行時(shí)，羽毛上的微觀結(jié)構(gòu)是如何暫時(shí)地將羽毛相互鉤連起來的。

到目前為止，鴿式機(jī)器人仍然需要真正的羽毛才能飛行，因此，研究人員必須想辦法制造出逼真的替代品，這樣才能將這項(xiàng)技術(shù)推向下一個(gè)階段。

埃里克·常（Eric Chang）是斯坦福大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)家，也是這項(xiàng)研究的共同作者，他們在分析了鴿子的真實(shí)數(shù)據(jù)后，搭建了這臺配有羽毛的遙控飛行器。鴿子最厲害的地方在于，它能通過改變翅膀的形狀實(shí)現(xiàn)急轉(zhuǎn)彎。在模擬時(shí)，研究人員最想實(shí)現(xiàn)的也是這一點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)捕捉影像已經(jīng)表明，鴿子主要是通過打開和關(guān)閉翅膀上的關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)這套動(dòng)作的。

飛行器的原型機(jī)采用泡沫作為機(jī)身，同時(shí)搭載了電子導(dǎo)航系統(tǒng)和控制羽毛動(dòng)作的彈性橡筋。研究人員首先在風(fēng)洞中測試了原型機(jī)，看它能否在模擬現(xiàn)實(shí)的大風(fēng)時(shí)完成轉(zhuǎn)彎操作。結(jié)果表明，它經(jīng)受住了考驗(yàn)，這為開展室外滑行和飛行測試鋪平了道路。當(dāng)埃里克·常在地面遙控飛行器飛行時(shí)，他覺得這是一次難以置信的感官體驗(yàn)：“當(dāng)飛行器最終安全降落，我松了一口氣，整個(gè)人都癱倒在地?！彼麄儗⑾嚓P(guān)研究成果發(fā)表在了《科學(xué)·機(jī)器人》雜志上。

鴿子的羽毛可以自動(dòng)地與相鄰的羽毛協(xié)同工作，形成光滑、靈活的翼面，而“鴿式機(jī)器人”的制作者必須完全清楚這種相互作用的機(jī)制。和許多鳥類一樣，鴿子也是通過一種被稱為裂片狀纖毛（lobate cilia）的微結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)羽毛間的相互作用。美國自然歷史博物館的動(dòng)物學(xué)家特蕾莎·費(fèi)奧（Teresa Feo）說，鳥類學(xué)家在20世紀(jì)初就記錄下了這種結(jié)構(gòu)，但是受限于當(dāng)時(shí)光學(xué)顯微鏡的觀測能力，他們認(rèn)為鳥類裂片狀纖毛的作用原理和砂紙差不多，只是增加了羽毛間的摩擦力。在今年1月的《科學(xué)》雜志上，費(fèi)奧和這個(gè)團(tuán)隊(duì)還發(fā)表了一篇文章。她說：“我們發(fā)現(xiàn)，這些纖毛實(shí)際上并沒有相互摩擦，而是鉤在了一起。”她所在的研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)記錄了整個(gè)過程：當(dāng)翅膀被合上時(shí)纖毛是如何松開的，當(dāng)翅膀再次展開時(shí)纖毛又是如何抓住彼此的。

勞拉·馬特洛夫（Laura Matloff）是斯坦福大學(xué)的機(jī)械工程學(xué)家，也是研究的共同作者。她認(rèn)為，無論是掃描電鏡，X射線顯微鏡還是CT掃描，這些現(xiàn)代化的分析技術(shù)讓他們有機(jī)會(huì)深入研究羽毛。馬特洛夫說：“借助這些儀器設(shè)備，我們是第一個(gè)真正重新審視裂片纖毛的研究團(tuán)隊(duì)?！?/p>

關(guān)于鳥類的羽毛如何發(fā)揮作用，還有一些未解之謎。該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，倉鸮（barn owls）和夜鷹（night jars）是兩種會(huì)在夜間捕食的鳥類，它們的羽毛上并沒有纖毛。纖毛的微結(jié)構(gòu)和尼龍搭扣差不多，互相分開時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音。對于這些隱形獵手來說，相比羽毛的連接性，演化的需求可能更偏向于安靜地飛行。

美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的古生物學(xué)家朱莉婭·克拉克（Julia Clarke，并未參與這項(xiàng)研究）表示：“很明顯，這是一個(gè)趨同演化的例子，需要權(quán)衡取舍?！彪m然很難在化石中識別出纖毛這種細(xì)微的結(jié)構(gòu)，但克拉克還是對纖毛的演化史非常感興趣。

如果能夠模仿羽毛做出既柔軟又堅(jiān)固的翼面，對人造可變形機(jī)翼而言有著無法估量的價(jià)值，而可變形機(jī)翼又是構(gòu)建下一代無人機(jī)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)四懸翼無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和懸停能力都不錯(cuò)，但埃里克·常認(rèn)為，可變翼飛行器更安靜，可以擁有更快的速度。他表示，自己的研究團(tuán)隊(duì)正在找尋并實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)方案，“不僅僅要找到高效的機(jī)翼形狀，還得能夠十分動(dòng)態(tài)地改變機(jī)翼的形狀”。

英國薩塞克斯大學(xué)的仿生機(jī)器人學(xué)家菲爾· 赫斯本茲（Phil Husbands，并未參與該研究）認(rèn)為，該研究“為新型仿生飛行器的發(fā)展指明了方向。這個(gè)領(lǐng)域還面臨一個(gè)有趣的挑戰(zhàn) :如何做出與功能相匹配的人造羽毛?！?/p>

戴維·倫特恩克（David Lentink）是斯坦福大學(xué)航空工程學(xué)和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)方面的專家。這兩項(xiàng)研究倫特恩克都參與了。他表示，柔軟的羽毛狀機(jī)翼“在航空工程中從未出現(xiàn)過”，并且制造出實(shí)用的人造羽毛仍然是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。3D打印機(jī)目前還無法處理像裂片狀纖毛這樣纖細(xì)的結(jié)構(gòu)。

倫特恩克認(rèn)為，目前的“鴿式機(jī)器人”仍然可幫助動(dòng)物學(xué)家，讓他們更好地理解鳥類在飛行過程中是如何控制翅膀的。畢竟，科學(xué)家很難在風(fēng)洞中研究活禽，也不可能訓(xùn)練它們按照指令只活動(dòng)翅膀上的某一個(gè)關(guān)節(jié)或者某一個(gè)指關(guān)節(jié)。倫特恩克說：“我的目標(biāo)是做出更逼真的鳥類模型，找到各種鳥類明顯不同的飛行方式。”博物館的羽毛資源非常豐富，在模仿其他鳥類的飛行時(shí)，科學(xué)家可以更好地探索“飛行方式的多樣性”。這么做還可以用機(jī)器代替有知覺的動(dòng)物，減少實(shí)驗(yàn)中對動(dòng)物的需求。他還說：“從這些研究中，還能拓展出大量的科學(xué)問題?！?/p>

撰文：吉姆·戴利（Jim Daley）

翻譯：羅廣楨

文章來源：環(huán)球科學(xué)

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