半鸟半机!斯坦福打造鸽子机器人,原来飞行的秘密藏在羽毛里

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半鸟半机!斯坦福打造鸽子机器人,原来飞行的秘密藏在羽毛里

云栖号资讯小哥 2020-01-18 16:15:53 浏览581
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我们都知道鸟类的飞行能力,主要靠的是一对翅膀。

但其实,它们的羽毛在飞行过程中,也是起到了至关重要的作用。

这也是人们一直在探索,却困扰良久的问题——无法高度复刻精细的羽毛状翅膀。

刚刚,斯坦福的研究人员制造了一种半生物鸽子机器人——PigeonBot。

并提出了一些新的研究成果,准确地了解了鸟类如何通过改变翅膀的形状来维持、控制飞行。

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通过研究这种半生物鸽子机器人,他们发现了鸟类在飞行时,关于羽毛的2个秘密:

每当翅膀变动时,由于羽毛基部的弹性缔结组织具有顺应性,羽毛会被动地重新分布。

为了防止羽毛之间的缝隙太大,相邻羽毛间具有钩状微结构。

研究还同时登上了Science和其子刊Science Robotics(封面)。

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通讯作者David Lentink表示:

尽管这一研究需要更多的测试和实验,但给了航空航天工程师们一些灵感,根据鸟类的飞行,可以跳出研究的常规思维。

东北大学(Northeastern University)教授Alireza Ramezani评价道:

这项研究让人印象深刻。这标志着未来的无人机设计,可能会远离固定翼或旋转翼技术。

所以这就是一个如何神奇的鸽子机器人?

PigeonBot——半生物飞行机器人
为什么说这个PigeonBot是“半生物”的呢?

这是因为研究人员在制作它时,用了40根鸽子的真羽毛。

也就是说,将飞行机器人和这些真羽毛做了结合。

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其重量为280克,翅膀展开长度为80厘米。

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鸽子的羽毛通过人造的“弹性韧带”和“翅膀关节”连接。

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通过这样的设计,可以很好的控制翅膀、羽毛的位置。

就可以让这个鸽子机器人,像真正的鸟类一样,以很小的半径进行稳定的转弯动作。

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PigeonBot让飞行机器人,与真正鸟类的距离更近了一步。

重叠羽毛根部的秘密
正如刚才提到的,这项研究主要的关注点在于鸟类飞行时,羽毛中的奥秘。

为了量化羽毛基部之间的弹性组织,是如何被动地协调飞行运动,工作人员首先对一只原鸽(Columba livia)做了研究。

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△图1
原鸽在变换不同的滑翔姿势时,翅膀的骨骼会发生变化,羽毛也会随之产生变化(图1.A和图1.B)。

研究发现羽毛是通过近似线性转移函数重新分布的,这些转移函数将输入腕关节的角度映射到每个羽毛的角度(图1.C和图1.D)。

斜率代表了羽毛角度对腕角的敏感度,相邻羽毛之间的斜率差异表明,相邻羽毛的运动是紧密地耦合在一起(图1.E和图1.F)。

当研究人员用手分离2根重叠的羽毛,在飞行时,这两根羽毛会突然锁定在一个位置上,这就表明羽毛之间是存在某种微结构。

通过扫描电子显微镜和X射线显微镜,观察发现,羽毛之间确实存在明显的紧固结构。

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△图2:鸽子飞行时,重叠的羽毛通过根部“定向紧固结构”锁在一起
这种紧固结构不是概率性的,在重叠羽毛之间的根部,有几十到几百根“钩子”紧紧相连。

就好比一种定向尼龙搭扣。

正如Lentink所说:

一旦羽毛分开得太远,它们之间的这些显微结构就会把它们锁在一起,形成一个缝隙。这真的很壮观。

除此之外,还有一个非常有趣的发现。

有些鸟类在飞行过程中是非常安静的,就像仓鸮(Tyto alba),堪称“无声飞行者”。

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△图3:不同鸟类之间的对比研究
通过对比鸽子和仓鸮的羽毛,研究人员发现,仓鸮重叠羽毛之间的这种“定向尼龙搭扣”结构是较少的。

分离2根羽毛所产生的声音就不同。

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原文发布时间:2020-1-17
本文作者:前沿科技
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