信天翁機器人飛行

麻省理工學院的工程師設計了一種機器人滑翔機，可以沿著水面掠過，像信天翁一樣乘風，同時像帆船一樣沖浪。

在強風區域，機器人被設計為高空飛行，就像它的鳥類一樣。在平靜的風中，機器人可以將龍骨砸入水中，就像高效帆船一樣。

從航海和生物設計中借鑒的機器人系統可以使用三分之一的風信天覆蓋給定距離，并且比典型的帆船快10倍。滑翔機也相對輕巧，重約6磅。研究人員希望，在不久的將來，這種緊湊，快速的機器人水撇水器可以部署在一起，以調查大片的海洋。

麻省理工學院航空航天系的前博士后加布里埃爾·博斯凱(Gabriel Bousquet)表示：“海洋仍受到極大的監控。”他將機器人設計作為研究生論文的一部分。“特別是，了解南大洋以及它如何與氣候變化相互作用非常重要。但要到達那里很難。我們現在可以以有效的方式利用來自環境的能量進行長途旅行，系統仍然是小規模的。“

Bousquet本周將在澳大利亞布里斯班舉行的IEEE國際機器人與自動化大會上展示機器人系統的細節。他的項目合作者是機械工程和信息科學以及腦科學教授Jean-Jacques Slotine; 和Michael Triantafyllou，Henry L.和Grace Doherty海洋科學與工程教授。

去年，Bousquet，Slotine和Triantafyllou發表了一項關于信天翁飛行動力學的研究，其中他們確定了使不知疲倦的旅行者能夠在消耗最少能量的同時覆蓋很遠距離的機制。鳥類馬拉松航行的關鍵是它能夠進出高速和低速的空氣層。

具體來說，研究人員發現這只鳥能夠執行一種稱為“動量轉移”的機械過程，其中它從更高，更快的空氣層獲取動力，并通過將動力轉移到更低，更慢的層，推動自身無需不斷拍打翅膀。

有趣的是，Bousquet觀察到信天翁飛行的物理學與帆船旅行的物理學非常相似。信天翁和帆船都會轉移動量以保持運動。但是在帆船的情況下，轉移不是在空氣層之間發生，而是在空氣和水之間發生。

Bousquet解釋說：“帆船用風帆從風中取出動力，然后用龍骨推回，將它注入水中。” “這就是為帆船提取能量的方式。”

由麻省理工學院工程師設計的信天翁滑翔機掠過查爾斯河。

Bousquet還意識到信天翁和帆船的行進速度取決于與動量轉移相關的相同的一般方程。從本質上講，如果鳥類和船只能夠輕松地停留在高空或與兩層或中等速度非常不同的相互作用，它們可以更快地行進。

信天翁與前者相處得很好，因為它的翅膀提供了自然的升力，盡管它在空氣層之間飛行，風速相對較小。與此同時，帆船在后者中表現優異，在兩種速度非常不同的介質之間行進 - 空氣與水 - 雖然它的船體產生大量摩擦并防止其速度變快。Bousquet想知道：如果一輛車可以設計成在兩個指標上表現良好，與信天翁和帆船的高速品質相結合怎么辦?

“我們想，我們怎樣才能從這兩個世界中取得最好的成績?”Bousquet說。

在水面上

該團隊起草了這種混合動力汽車的設計，最終類似于一個3米翼展的自主滑翔機，類似于典型的信天翁。他們增加了一個高大的三角形帆，以及一個細長的翼狀龍骨。然后他們進行了一些數學建模來預測這樣的設計將如何傳播。

根據他們的計算，風力驅動的車輛只需要相對平靜的大約5節的風速，以大約20節或每小時23英里的速度穿過水面。

“我們發現，在微風中，你可以比傳統帆船快三到十倍的速度旅行，而你需要的風量大約是信天翁的一半，達到20節，”Bousquet說。“它非常高效，即使沒有太多風，你也可以非常快速地旅行。”

該團隊使用由麻省理工學院航空航天教授Mark Drela設計的滑翔機機身構建了他們設計的原型。在滑翔機的底部，他們添加了一個龍骨，以及各種儀器，如GPS，慣性測量傳感器，自動駕駛儀表和超聲波，以跟蹤滑翔機在水面上的高度。

“這里的目標是顯示我們可以非常精確地控制我們在水面上的高度，并且我們可以讓機器人飛到水面上，然后下降到龍骨可以在水下產生力的地方，并且飛機仍然可以飛，“Bousquet說。

研究人員決定測試這種“關鍵機動” - 在空中飛行和將龍骨向下傾斜以在水中航行之間的過渡行為。完成這一舉動并不一定需要啟航，因此Bousquet和他的同事決定不包括一個以簡化初步實驗。

2016年秋天，該團隊對其設計進行了測試，將機器人從麻省理工學院帆船館發射到查爾斯河上。由于機器人沒有帆和任何啟動它的機制，所以該團隊將其懸掛在與捕鯨船相連的釣竿上。通過這種設置，船沿著河拖著機器人，直到達到每小時20英里，此時機器人自動“起飛”，獨自騎風。

一旦它自動飛行，Bousquet使用遙控器給機器人一個“向下”命令，促使它下降到足以將其龍骨淹沒在河中。接下來，他調整了龍骨的方向，并觀察到機器人能夠如預期的那樣遠離船。然后，他命令機器人飛回來，將龍骨從水中抬起。

“我們飛得非常靠近水面，而且誤差很小 - 一切都必須到位，”Bousquet說。“所以這是非常高的壓力，但非常令人興奮。”

他說，這些實驗證明，該團隊的概念設備可以成功地行駛，由風和水提供動力。最終，他設想這些車輛的車隊自主地和有效地監視大片海洋。

“想象一下，當它真的刮風時，你可以像信天翁一樣飛翔，然后當風力不足時，龍骨就可以讓你像帆船一樣航行，”Bousquet說。“這極大地擴展了你可以去的地區。”