費斯託智能鳥破譯鳥類飛行原理（機器鳥就能飛翔）

2023-05-20 10:29:25

天高任鳥飛。

藍天上自由翱翔的鳥兒，一直是大眾視線追逐的焦點。

我們什麼時候才能插上一對鳥兒的翅膀，像它一樣展翅高飛？

如果要體驗鳥兒的感受，在飛機、熱氣球等一堆帶人上天的飛行裝備中，單人飛行器是最接近鳥兒飛行體驗的一種。配置動力的單人噴氣式飛行背包，還有無動力的滑翔飛行翼裝，這些由自己掌控的單人飛行裝備，能讓你體驗到鳥兒御風翱翔時的空靈豪邁。

只是我們嚮往的人造翅膀，像鳥兒一樣收收翅膀就能轉個彎，扇扇羽毛就能避過氣旋渦流的敏捷輕盈，這個持續千年的夢想到現在都沒能實現。不過，機器人設計師帶來一個好消息，他們已經觸摸到夢想的邊緣。製造一對能帶領人類飛翔，真正的鳥兒的翅膀，並沒有想像中那麼困難。

說到鳥兒的翅膀，先問你一個問題，扇動翅膀飛行時，鳥兒的翅膀，跟蝙蝠和昆蟲的翅膀相比，有什麼不同？

鳥兒翅膀最大的特點是由一根根的羽毛組成，而蝙蝠和昆蟲的翅膀是一整張的膜翅。膜翅中間不能透風，可羽毛翅就不一樣了。當鳥兒張開翅膀時，只要轉轉單根羽毛的角度，就能讓空氣從縫隙間流過。透風的翅膀比不透風的翅膀，駕馭氣流的能力更強。

高速攝像機拍下鳥兒飛行時的慢動作，當鳥兒向下揮動翅膀時，展開的翅膀上，羽毛緊密合攏，中間密不透風。這時翅膀揮動時給了空氣一個向下的力，跟它對應的是，空氣給了翅膀一個向上的反作用力。翅膀面積越大，揮動的力量越強，空氣支撐身體的反作用力也越強。當鳥兒向上扇動翅膀時，舒展伸平的翅膀會收縮彎折，減小阻力。飛行中改變翅膀的形狀，只有翅膀上有骨骼支撐的鳥兒和蝙蝠才能夠做到，而昆蟲在飛行時，沒法改變翅膀的形狀。

圖片上可以看到鴿子飛翔的細節，鴿子提翅時，翅膀上單根羽毛偏轉了一個角度，於是密閉的翅膀中間出現縫隙，上方的空氣能通過縫隙流動到下方。翅膀就像百葉窗一樣，向下扇動時合攏，向上扇動時打開，這意味著，向上揮動時的空氣阻力比下劃時要小很多。轉動羽毛，氣體流過縫隙來減小空氣阻力，這是鳥兒獨有的本事，蝙蝠就做不到了。

以前我們看到模仿鳥兒設計的各式各樣的機器鳥，能像鳥兒一樣撲翼飛行的翅膀，全都是一個整體的膜翅，而不是一根根的羽毛翅。要給每一根羽毛都加上控制器和傳感器，讓它們既能獨立活動，又能整體配合，像鳥兒一樣飛翔，就連最頂級的機器人技術，也沒有辦法做到。

雖然複雜版的羽毛翅做不到，但是簡化版的羽毛翅沒問題，而且成品的效果非常好。史丹福大學團隊用40根鴿子羽毛，插在機器身體上，做出的機器鳥。在天空中飛翔的機器鳥，扇動的是真正的羽毛翅。

在解析團隊怎樣控制羽毛之前，我們先來看鳥兒翅膀是怎樣運動的。鳥兒翅膀從爬行動物的前肢演化而來，它翅膀上的骨骼跟你的前臂類似，一共分為3段，第1段是從肩到肘的肱骨，這是你的胳膊部分。第2段是從肘到手腕的尺骨和橈骨，這是你的手臂部分，第3段是手腕以下的手掌和指骨。連接手臂和手掌的腕骨，是控制翅膀變化的重要關節。

翅膀上的羽毛，翼尖上最長最硬的這一排羽毛叫做初級飛羽，它是飛行中承擔風壓的主力，由掌骨和指骨控制運動。只要剪短飛羽，鴿子就不能飛了。旁邊稍微短一些的這排羽毛，叫做次級飛羽，由尺骨控制運動。在鴿子的單邊翅膀上，有10根初級飛羽和10根次級飛羽。飛羽上面，一層層覆蓋著更短也更軟的覆羽。

團隊簡化了複雜的羽毛細節，只保留主力，用20根鴿子的真飛羽做成單邊羽毛翅。羽毛翅的控制也遵循最簡化的原則，只用腕骨和指骨2處關節，來控制翅膀的變形。

在羽毛翅的張合測試中，調節不同的控制頻率，或快或慢，羽毛的伸展和摺疊都很流暢。第一步測試成功了，但是在下一步風洞測試中出了問題。吹過翅膀的氣流稍微強一點兒，單根羽毛就會被吹散，不能像鴿子的真翅膀，保持一個扇面整體不變。

鴿子是怎樣把單根羽毛連成一片，不會被風吹散的？團隊在X射線掃描下，找到了羽毛上的小秘密。翅面的羽小支上，有兩種結構，一種是彎鉤，另一種是凹槽。兩根重疊的羽毛打開，當一根羽毛滑動時，羽毛上的彎鉤會勾住另一根羽毛上的凹槽。翅膀展開後，單根羽毛通過鉤子跟旁邊的羽毛連成一體。而收攏翅膀時，彎鉤和凹槽錯位，扣住的羽毛自動解鎖了。

人造的羽毛翅，不能像鳥兒一樣主動控制羽毛的細微運動，遇到強氣流時，大風會把羽毛上的小搭扣吹開。鳥兒的羽毛被吹亂後，只要抖抖翅膀就能歸位，但人造翅上吹散的羽毛不能自動復位。不過沒關係，這個問題很好解決。團隊在羽毛翅的翅根上，加了一根橡皮筋，把獨立的單根羽毛連在一起。簡單直接的橡皮筋，又輕便又好使，撐開後拉住單根羽毛，連成一片扇面，不會被風吹散了。

裝上鴿子翅膀的機器鳥終於能上天展翅高飛了，機器鳥的動力由螺旋槳提供，翅膀調節它的飛行變化。

看到天上的鴿子機器鳥時，有人嘲笑說，真鴿子的鼻子上不會頂著一個螺旋槳。但恰恰是這隻螺旋槳，打開了人類展翅高飛的新思路。把飛行動力和翅膀分開後，我們就有機會體驗到鳥兒扇動翅膀的自由強大。

鳥兒最大的動力需求在起飛階段，當飛到空中後，鳥兒就能藉助氣流省力了。信天翁連續幾天不著陸，遨遊藍天時，它的動力90%來自於氣流。當你插上人造翅膀，起飛時的能量由動力包提供，等飛到空中後，你的飛行就交給翅膀掌控。調節方向時，像鳥兒一樣，收收腕骨就能轉個彎。遇到強氣流時，轉轉指骨，像打開百葉窗一樣打開羽毛間隔，讓氣體穿流而過化解阻力。

插上翅膀的你，像鳥兒一樣靈巧，用翅膀駕馭瞬息變化的氣流，御風而行。好風憑藉力，送你上青雲。

鴿子機器鳥首飛成功，給我們搭建了人造翅膀的框架，順路走下去，距離人類真正展翅的那天就不遠了。

本文有視頻：鴿子機器鳥

附：今天繼續更新自然界裡的秘密系列文章，這是第39篇：機器鳥。