文章核心观点 - 麻省理工学院与洛桑联邦理工学院联合团队开发了一款能飞、能游、能俯冲入水、能从水下跃出的扑翼机器人，用于系统研究潜水鸟类的跨介质运动机制，其研究成果发表在《Science》期刊封面[1] - 研究表明，复杂的翅膀折叠机构对于空水两栖运动并非必要，通过柔性翅膀、面积和频率调节即可实现类似功能，这为新型两栖机器人设计奠定了基础[14] 机器人设计与仿生原理 - 机器人重约250克，由流线型机身、两片对称的薄膜翅膀和一个可驱动的尾翼组成，整机防水且可无线遥控[3] - 采用柔性翅膀替代鸟类复杂的折翼机构，其翅膀刚度比鸟类翅膀（根据骨骼刚度估算）低三到四个数量级[5] - 在水中拍打时，流体阻力使柔性翅膀被动弯曲，翼尖振幅减少60%到90%，等效实现了“缩小翼面”的效果，使机器人能在水下以最高6 Hz的频率拍翼，远高于刚性翅膀在水中仅能达到的0.85 Hz上限[5] - 在空气中，同一对翅膀的拍动频率范围为5.2到11 Hz，空气中与水中的拍翼频率比约为二到四倍，这与生物学观察到的潜水鸟类频率比高度一致[5] - 机器人被设计为中性浮力，在水下无需额外消耗能量对抗浮力[5] 翅膀尺寸与性能测试 - 团队制作了三种不同尺寸的翅膀（半翼展330毫米、430毫米、530毫米）并进行测试[5] - 风洞实验表明，中等和大尺寸翅膀在6 Hz以上即可产生足够的升力和前向推力，而小翅膀需要超过10 Hz才能获得推力，已接近电机极限[5] - 水下实验显示，在5 Hz下，小翅膀的游泳速度最快（0.95米/秒），中等翅膀次之（0.79米/秒），大翅膀最慢（0.64米/秒）[6] - 水中的运输成本在不同翅膀尺寸间几乎没有差异，但随着频率升高而急剧增加，暗示潜水鸟类缩小翼面积的目的可能并非提高游泳效率，而是为了游得更快[7] 水气过渡（出水）机制 - 从水到空气的过渡是最具挑战性的阶段，需要在高密度流体中加速到飞行速度[9] - 尾翼到机身的距离对水面脱离至关重要：尾翼紧贴机身时效果最佳，既减小了水下拖曳力矩的持续时间，又能在出水后提供足够的俯仰控制力[9] - 出水角度同样关键，在总计26次出水测试中，70°的出水角度成功率最高[9] - 在最优配置下，整个出水过程不到一秒，机器人需要八到十次拍翼完成从水面到空中的过渡[9] - 这一过程的功率消耗为190 W/kg，远高于巡航飞行的74 W/kg和水下游泳的18 W/kg，出水的能量效率（获得的动能和势能与消耗电能之比）仅为1:40[10] - 翅膀刚度在出水中扮演双重角色，中等刚度成为唯一可行的选择[11] 俯冲入水与综合性能 - 机器人以5米/秒的速度飞行并撞击水面，经历约60 g的冲击力后从5米/秒减速至0.5米/秒，实验显示无论入水时翅膀处于何种拍动相位，机器人均能成功过渡到水下游泳[11] - 单次充电下，机器人可以飞行6公里（20°攻角、6 Hz拍翼），或者水下游泳2公里（1 Hz拍翼），室内无绳飞行测试中平均飞行速度达到6.3米/秒[13] - 由于水中的运输成本（3.7）高于空中（1.2），当水平移动距离超过15.5米时，从水中跃出、飞过去、再俯冲入水，比一直在水下游过去更省能量[14] - 与同体型的真实鸟类和蝙蝠相比，机器人的运输成本处于相近区间[14] 应用前景 - 这些设计原则为一类新型机器人奠定了基础，未来可用于湖泊监测、海洋观测、海洋生态调查和海岸管理等场景[14]