科學探索：給機翼裝上羽毛

在很早以前，人類就開始從(cong) 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），他給自己貼滿羽毛後朝著太陽飛翔，但是溫度升高後，粘結羽毛的蠟融化了，他也摔了下來。到目前為(wei) 止，人造飛行器一直無法像鳥類一樣，用帶有羽毛的可變機翼飛行，因為(wei) 工程師們(men) 始終不清楚鳥類是如何控製它們(men) 翅膀上的羽毛的。

新發表的兩(liang) 項研究或許有助於(yu) 改變這種現狀。最近，研究人員設計並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翼的形狀。與(yu) 硬質的固定翼無人機相比，它擁有更好的操控性。

為(wei) 了設計出這種遙控飛行器，研究人員首先用運動捕捉視頻檢測了鴿子在飛行時的動作，包括折疊和彎曲羽翼的方式。根據檢測結果，他們(men) 可以為(wei) 遙控飛行器的雙側(ce) 機翼各裝配20支羽毛，並且可以有效地控製每支羽毛的行動。這就是他們(men) 口中的“鴿式機器人”，相鄰兩(liang) 片羽毛之間僅(jin) 由彈性橡筋連接。在分析捕捉到的影像時，他們(men) 還發現了另一個(ge) 秘密：鳥類在飛行時，羽毛上的微觀結構是如何暫時地將羽毛相互鉤連起來的。

到目前為(wei) 止，鴿式機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製造出逼真的替代品，這樣才能將這項技術推向下一個(ge) 階段。

埃裏克·常（Eric Chang）是斯坦福大學的機械工程學家，也是這項研究的共同作者，他們(men) 在分析了鴿子的真實數據後，搭建了這台配有羽毛的遙控飛行器。鴿子最厲害的地方在於(yu) ，它能通過改變翅膀的形狀實現急轉彎。在模擬時，研究人員最想實現的也是這一點。運動捕捉影像已經表明，鴿子主要是通過打開和關(guan) 閉翅膀上的關(guan) 節來實現這套動作的。

飛行器的原型機采用泡沫作為(wei) 機身，同時搭載了電子導航係統和控製羽毛動作的彈性橡筋。研究人員首先在風洞中測試了原型機，看它能否在模擬現實的大風時完成轉彎操作。結果表明，它經受住了考驗，這為(wei) 開展室外滑行和飛行測試鋪平了道路。當埃裏克·常在地麵遙控飛行器飛行時，他覺得這是一次難以置信的感官體(ti) 驗：“當飛行器最終安全降落，我鬆了一口氣，整個(ge) 人都癱倒在地。”他們(men) 將相關(guan) 研究成果發表在了《科學·機器人》雜誌上。

鴿子的羽毛可以自動地與(yu) 相鄰的羽毛協同工作，形成光滑、靈活的翼麵，而“鴿式機器人”的製作者必須完全清楚這種相互作用的機製。和許多鳥類一樣，鴿子也是通過一種被稱為(wei) 裂片狀纖毛（lobate cilia）的微結構才能實現羽毛間的相互作用。美國自然曆史博物館的動物學家特蕾莎·費奧（Teresa Feo）說，鳥類學家在20世紀初就記錄下了這種結構，但是受限於(yu) 當時光學顯微鏡的觀測能力，他們(men) 認為(wei) 鳥類裂片狀纖毛的作用原理和砂紙差不多，隻是增加了羽毛間的摩擦力。在今年1月的《科學》雜誌上，費奧和這個(ge) 團隊還發表了一篇文章。她說：“我們(men) 發現，這些纖毛實際上並沒有相互摩擦，而是鉤在了一起。”她所在的研究團隊詳細記錄了整個(ge) 過程：當翅膀被合上時纖毛是如何鬆開的，當翅膀再次展開時纖毛又是如何抓住彼此的。

勞拉·馬特洛夫（Laura Matloff）是斯坦福大學的機械工程學家，也是研究的共同作者。她認為(wei) ，無論是掃描電鏡，X射線顯微鏡還是CT掃描，這些現代化的分析技術讓他們(men) 有機會(hui) 深入研究羽毛。馬特洛夫說：“借助這些儀(yi) 器設備，我們(men) 是第一個(ge) 真正重新審視裂片纖毛的研究團隊。”

關(guan) 於(yu) 鳥類的羽毛如何發揮作用，還有一些未解之謎。該研究團隊發現，倉(cang) 鴞（barn owls）和夜鷹（night jars）是兩(liang) 種會(hui) 在夜間捕食的鳥類，它們(men) 的羽毛上並沒有纖毛。纖毛的微結構和尼龍搭扣差不多，互相分開時會(hui) 產(chan) 生噪音。對於(yu) 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於(yu) 安靜地飛行。

美國得克薩斯大學奧斯汀分校的古生物學家朱莉婭·克拉克（Julia Clarke，並未參與(yu) 這項研究）表示：“很明顯，這是一個(ge) 趨同演化的例子，需要權衡取舍。”雖然很難在化石中識別出纖毛這種細微的結構，但克拉克還是對纖毛的演化史非常感興(xing) 趣。

如果能夠模仿羽毛做出既柔軟又堅固的翼麵，對人造可變形機翼而言有著無法估量的價(jia) 值，而可變形機翼又是構建下一代無人機的關(guan) 鍵。傳(chuan) 統四懸翼無人機的機動性和懸停能力都不錯，但埃裏克·常認為(wei) ，可變翼飛行器更安靜，可以擁有更快的速度。他表示，自己的研究團隊正在找尋並實現最佳的設計方案，“不僅(jin) 僅(jin) 要找到高效的機翼形狀，還得能夠十分動態地改變機翼的形狀”。

英國薩塞克斯大學的仿生機器人學家菲爾· 赫斯本茲(zi) （Phil Husbands，並未參與(yu) 該研究）認為(wei) ，該研究“為(wei) 新型仿生飛行器的發展指明了方向。這個(ge) 領域還麵臨(lin) 一個(ge) 有趣的挑戰 :如何做出與(yu) 功能相匹配的人造羽毛。”

戴維·倫(lun) 特恩克（David Lentink）是斯坦福大學航空工程學和實驗動物學方麵的專(zhuan) 家。這兩(liang) 項研究倫(lun) 特恩克都參與(yu) 了。他表示，柔軟的羽毛狀機翼“在航空工程中從(cong) 未出現過”，並且製造出實用的人造羽毛仍然是一項重要挑戰。3D打印機目前還無法處理像裂片狀纖毛這樣纖細的結構。

倫(lun) 特恩克認為(wei) ，目前的“鴿式機器人”仍然可幫助動物學家，讓他們(men) 更好地理解鳥類在飛行過程中是如何控製翅膀的。畢竟，科學家很難在風洞中研究活禽，也不可能訓練它們(men) 按照指令隻活動翅膀上的某一個(ge) 關(guan) 節或者某一個(ge) 指關(guan) 節。倫(lun) 特恩克說：“我的目標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(feng) 富，在模仿其他鳥類的飛行時，科學家可以更好地探索“飛行方式的多樣性”。這麽(me) 做還可以用機器代替有知覺的動物，減少實驗中對動物的需求。他還說：“從(cong) 這些研究中，還能拓展出大量的科學問題。”

撰文：吉姆·戴利（Jim Daley）

翻譯：羅廣楨

文章來源：環球科學

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