你看那只大鸽子,它挥着一对假翅膀
2020-02-18 07:28

你看那只大鸽子,它挥着一对假翅膀

文章来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:鸽子,Photo by Alistair Dent on Unsplash。


猜猜我是不是鸽子?


这是个什么尤物,一个长着羽毛的纸质无人机?看着它翱翔的英姿,恍惚间又觉得那是一只洁白的大鸽子。


其实,这只高级的假鸽子是科学家们最近搞出来的一只机器人,名叫PigeonBot。它贴着从真·鸽子身上拔下的羽毛,有人造的骨骼和身体。电力驱动,迎风翱翔。



高清特写


从古至今,人们都想上天。但目前所见的人造飞行器要么干脆没有翅膀,

热气球君


要么翅膀硬邦邦。

飞机酱


像这样能行云流水般乎扇乎扇的人造大翅膀,倒确实很是少见。


它是怎么做出来的?如果你尝试过临摹大师的画作,一定清楚模仿的第一步是足够了解大师的绘画手法。做一只假鸽子也是如此。仿生的第一步,就是解决这样一个问题:


一、鸽子的翅膀是怎么扇乎的?


现在,请把自己的双臂想象成鸽子的翅膀,试着模仿一下它们的动作。


我猜,你会先将手肘弯曲,然后缓慢展开,让手腕一起配合着上下摆动。鸽子的翅膀骨骼和你的双臂正是同款运动。造鸽子的科学家分析了真鸽子扇乎翅膀时每一帧的动作,发现在翅膀骨骼主动运动的过程中,与骨骼相连的羽毛也会产生被动运动。随着翅膀逐渐伸展,羽毛间的夹角也会变大。


当图中翅膀所标注的W角增大时,P角和S角也会随之伸展增大


可这些羽毛被抻开的时候,为什么不会因为拉扯而哗啦啦掉下来?


这个过程有点类似翻书,你一页一页地把书翻开,并不会出现单页脱落,是因为所有页面被书脊处的胶装订在了一起。而鸽子翅膀上,相邻的羽毛也会彼此连接,机关就是这个有弹性的小钩钩



二、造一只假鸽子


偷窥了飞翔的小秘密,科学家可以动手了。问:造一只假鸽子需要几步?


答:做一个身体、插上一对翅膀、补充一个尾巴。共三步。


身体基本撑起了假鸽子的轮廓,它选择的材料是:密度低、易于切割、方便连接、非常好用的——泡沫塑料板(还以为钛合金来着)。


泡沫塑料板用激光切割后粘合,黑科技核心被放到身体内腔。假鸽子便拥有了机器人该有的内核。



尾巴是泡沫塑料材质搭配传统尾巴的造型。由两块相互垂直的板子分别平衡纵向和横向。



众所周知——没有翅膀的大鸽子没有灵魂。


翅膀的骨架同样由泡沫塑料制成,但“手腕”和“手指”处的关节可以被远程操控灵活运动。


与骨架连在一起的是真实的鸽子羽毛。你没有看错,就是从鸽子的翅膀上薅下来的,左右各20根。不同鸽子的羽毛存在明显的个体差异,所以科学家们会尽量从同一只鸽子身上拔下所有需要的羽毛,并按照原先的顺序排列。


相当于直接把鸽子的飞羽移植到了假鸽子翅膀上。在此之前,人造羽毛一般使用碳纤维和玻璃纤维。相比于那些假羽毛,真的鸽子羽毛兼具轻柔丝滑和韧性。更能在迎风翱翔后抖去身上的尘土,恢复原本从容优雅的模样。


它们先通过3D打印的接头用热胶一个一个连接到骨架上。



再被橡皮筋特制的搭扣相连,模拟了真鸽子羽毛间的小钩钩结构,以确保在飞翔时被动张开。



三、这么优秀,咋不上天呢?


该上天了。


为了证明自己不是只泡沫塑料纸飞机,假鸽子配置了精妙协作的运动控制系统:PixRacer自动飞行系统,同时配合地面遥控指令。来自地面控制台的指令以无线电的形式传递至鸽子身体,指导左右翅膀共4处关节的运动,以及侧方转向。PixRacer则用来控制升降并提供动力。


前文提到,研究者整理出了鸽子翅膀运动的相关动力学线性方程。那么这只假鸽子的表现也符合类似的运动规律吗?


在风洞环境中,人为地操控假翅膀骨骼的运动,具体来说就是输入一连串关节张开角度的赋值,能得到一系列羽毛被动张开的角度。将其与真实的翅膀运动方程做对比,发现二者的相似度很高


这说明,人造翅膀的“不完全驱动”模拟很成功。


此外,单独控制一侧的翅膀弯曲角度,就能让机器人鸽子在空中流畅地左转和右转了。


四、结语


虽然外貌不那么出众,但身体在飞行中的表现非常诚实。嗯,是只好鸽子。


PigeonBot流畅的飞行对未来有很重要的意义。它让我们更懂鸟类飞行的秘密,能通过建立模型的方式安全地研究猛禽。此外,它将有可能在改进飞行器或者飞行机器人中发挥更出色的商业价值。再敢想一点,或许有一天人类也能背着一双大翅膀上天了?


你看,科学家的世界里,一本正经地放鸽子都能发文章。咕~

他们说,人类的本质都是鸽子。


文章来自公众号:把科学带回家(ID:steamforkids),作者:鸽子。

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