「這世界上有一種鳥(niǎo)是沒(méi)有腳的，它只能一直飛，飛累了就睡在風(fēng)里，這種鳥(niǎo)一輩子只能下地一次......」

這種神奇的無(wú)腳鳥(niǎo)，是王家衛(wèi)在《阿飛正傳》中留下的經(jīng)典意象，也是這部電影最觸人心弦的隱喻。而在現(xiàn)實(shí)世界中，「無(wú)人機(jī)」應(yīng)該算是最接近無(wú)腳鳥(niǎo)的存在。

但卻有這么一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，非要給「無(wú)腳鳥(niǎo)」裝上腳。

在瑞士日內(nèi)瓦湖畔，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPLF）不僅是機(jī)器人專(zhuān)家們的圣地，更是各種小鳥(niǎo)的「快樂(lè)大本營(yíng)」。然而，小鳥(niǎo)們現(xiàn)在似乎不太熱衷于飛行了，更喜歡在地面上悠哉游哉地散步，反正好吃的遍地都是。

「每當(dāng)我在校園里遇到烏鴉時(shí)，我都會(huì)觀(guān)察它們是如何行走、跳過(guò)或躍上障礙物，以及如何起飛的，」EPLF 智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的博士生 Won Dong Shin 說(shuō)道?！竿ㄟ^(guò)我的觀(guān)察，即使只需要用翅膀就能起飛，但鳥(niǎo)兒們總是以跳躍作為起步?！?/span>

Shin 將他的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化成了論文，探討了鳥(niǎo)類(lèi)為何通過(guò)跳躍起飛，以及如何將這一特性應(yīng)用到固定翼無(wú)人機(jī)上。這篇論文已被《Nature》接收并發(fā)表。

• 論文標(biāo)題：Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs
• 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08228-9

傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)通常需要跑道或彈射器才能起飛，而 Shin 開(kāi)發(fā)的 RAVEN（Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments）無(wú)人機(jī)則采用了仿生鳥(niǎo)腿設(shè)計(jì)，讓無(wú)人機(jī)能像烏鴉一樣跳躍起飛，并在地面上靈活移動(dòng)。

早在 2019 年，南非就有一家叫 Passerine 的創(chuàng)業(yè)公司提出了類(lèi)似的設(shè)計(jì)，為貨運(yùn)無(wú)人機(jī)裝上機(jī)械腿來(lái)幫助起飛。這個(gè)設(shè)計(jì)很受歡迎，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)能飛得更遠(yuǎn)、續(xù)航更久，比在機(jī)身上安裝多個(gè)螺旋槳要高效得多。

Passerine的無(wú)人機(jī)

「我們和 Passerine 都想讓固定翼飛行器能夠跳躍起飛，」Shin 解釋說(shuō)，「但我們的目標(biāo)不太一樣。Passerine 只關(guān)注如何讓無(wú)人機(jī)起跳，而我們的 RAVEN 想做的不止于此?！?/span>

仿生設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)

多功能腿部設(shè)計(jì)讓 RAVEN 更接近真實(shí)的鳥(niǎo)類(lèi)。雖然這些機(jī)械腿的復(fù)雜性和功能性還遠(yuǎn)不及真實(shí)的鳥(niǎo)腿，但通過(guò)模仿大自然的智慧，比如像彈簧一樣能儲(chǔ)存和釋放能量的「人造肌腱」，以及能靈活抓握的機(jī)械腳趾，RAVEN 已經(jīng)能像真正的鳥(niǎo)兒一樣輕盈地行走、跳躍了。

盡管名叫「渡鴉」，但 RAVEN 的體型實(shí)際上和烏鴉差不多：翼展 100 厘米，機(jī)身長(zhǎng) 50 厘米。它能以每 4 秒 1 米的速度行走，跨越 12 厘米的縫隙，并能跳上 26 厘米高的障礙物。

在跳躍起飛時(shí)，RAVEN 的腿部能將無(wú)人機(jī)推送到近半米的起始高度，并達(dá)到 2.2 米 / 秒的起速。

RAVEN 的腳趾設(shè)計(jì)特別有趣，當(dāng)它沒(méi)有腳趾時(shí)，RAVEN 就會(huì)狼狽地摔倒:

Shin 解釋道：「加入一個(gè)被動(dòng)彈性腳趾關(guān)節(jié)非常重要，這樣可以實(shí)現(xiàn)多種步態(tài)模式，并確保 RAVEN 能夠以正確的角度進(jìn)行起飛。」

大多數(shù)雙足機(jī)器人都采用可以直接控制腳部的角度的驅(qū)動(dòng)器，但對(duì)于一個(gè)飛行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，出于重量的考慮，不能隨便在各處加上驅(qū)動(dòng)器。事實(shí)上，RAVEN 的重量為 620 克，其中 230 克來(lái)自于這雙腿。

通過(guò)電機(jī)控制髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，形成了簡(jiǎn)化但仍具有鳥(niǎo)類(lèi)特征的腿部結(jié)構(gòu)，而踝關(guān)節(jié)和腳趾關(guān)節(jié)中的彈簧則有助于吸收力量和儲(chǔ)存能量。

為什么要給無(wú)人機(jī)裝上腿呢？

問(wèn)題在于，無(wú)人機(jī)和鳥(niǎo)類(lèi)不同，它不需要腿部也可以起飛。由于 RAVEN 本身重量輕、動(dòng)力強(qiáng)，即使不用腿部，只要調(diào)整好角度也能從地面起飛。這就讓人不禁思考：與其設(shè)計(jì)復(fù)雜的腿部機(jī)構(gòu)，是否可以用幾根簡(jiǎn)單的支撐桿來(lái)替代，一樣能達(dá)到幫助起飛的目的呢？

研究人員對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)非跳躍起飛的效果很差。高攻角和低起飛速度的組合導(dǎo)致飛行極不穩(wěn)定，雖然能飛，但很勉強(qiáng)。

相比之下，跳躍起飛的能量效率整體上比靜態(tài)起飛高出約 10 倍。正如論文總結(jié)的那樣，「盡管跳躍起飛需要略高的能量輸入，但在將驅(qū)動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為飛行所需的動(dòng)能和勢(shì)能方面，這是最高效和最快速的方法。」

而且就像鳥(niǎo)類(lèi)一樣，相比反復(fù)短距離飛行，RAVEN 也可以利用腿部在地面上以更節(jié)能的方式移動(dòng)。

Won Dong Shin 拿著 RAVEN

能否應(yīng)用到更大型的無(wú)人機(jī)上？

當(dāng)然，鳥(niǎo)類(lèi)的腿部除了行走、跳躍之外還有很多其他用途。Won Dong Shin 希望 RAVEN 的機(jī)械腿也能逐漸擴(kuò)展。最顯而易見(jiàn)的就是用于降落：「鳥(niǎo)類(lèi)利用腿部減速和緩沖沖擊力，這一原理也可以應(yīng)用到 RAVEN 的腿部設(shè)計(jì)上，」Shin 說(shuō)道。

不過(guò)，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，無(wú)人機(jī)還需要配備感知系統(tǒng)來(lái)計(jì)算和預(yù)測(cè)降落軌跡、時(shí)機(jī)和姿態(tài)。此外，游泳、棲息和抓取等功能也都需要全新的腳部設(shè)計(jì)。

至于如何將這一設(shè)計(jì)擴(kuò)展到更大尺寸的無(wú)人機(jī)，Shin 指出，超過(guò)一定體型的鳥(niǎo)類(lèi)就無(wú)法通過(guò)跳躍起飛。它們要么需要從高處跳下，要么需要借助跑道。因此，如何讓這一設(shè)計(jì)適用于更大型、能夠承載有效載荷的無(wú)人機(jī)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

Shin 強(qiáng)調(diào)，擴(kuò)展工程系統(tǒng)通常比生物系統(tǒng)更容易，他對(duì)于 RAVEN 的腿部設(shè)計(jì)能夠用于需要大量承重的快遞無(wú)人機(jī)持樂(lè)觀(guān)態(tài)度。

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)一套視覺(jué)系統(tǒng)，用于避障和降落，同時(shí)也在研究能夠讓無(wú)人機(jī)通過(guò)狹窄縫隙的折疊翼。Shin 表示，「我也很想為 RAVEN 加入可以拍打翅膀的撲翼設(shè)計(jì)。這項(xiàng)改進(jìn)將讓無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式更接近鳥(niǎo)類(lèi)，并提供更多有趣的研究課題。」

參考鏈接：

https://spectrum.ieee.org/bird-drone。

https://www.youtube.com/watch?v=-8DJ1a3sLIc&t=5s。

https://www.youtube.com/watch?v=ewYISBNg-6k。