屈腿一跳就起飞

十大品牌 2025年11月10日 12:21 0 admin

瑞士洛桑联邦理工学院的一个研究团队正在忙活。他们打造了一款长着一双细长腿的飞行机器人，它有个很仿生的名字“渡鸦”（RAVEN）。其实这名字是个缩写，含义是“多环境鸟类仿生机器人”。根据外观，也许直白地称它是“带爪子的无人机”更贴切。

“渡鸦”最大的看点就是它有着鸟类一样的腿脚。它能以站立方式“栖息”在形状复杂的障碍物上，能像鸟类一样行走、跳过障碍，还能奋力一跃腾空而起，实现跳跃起飞。

传统小型固定翼无人机想要起飞，要么需要跑道（哪怕很短），要么需要专用的发射器，至少需要你用手抛出去。那么为啥同样采用固定翼的“渡鸦”要跳跃起飞呢？这个问题也正是研究团队的起点。经过分析，研究团队发现跳跃起飞其实是最具能量经济性的方式，这完全出乎人们最初的认知。跳跃起飞所需要的能量确实比下落增速起飞和垂直起飞需要耗费更多的能量，但也并不是超出很多。跳跃起飞耗费的能量比垂直起飞要多7.9%，比下落增速起飞高7.9%。但这种方式可以提供更高的加速度，从能量效率上说，跳跃起飞是垂直起飞的9.7倍，是下落增速起飞的4.9倍。由此看来，鸟类在进化路线上最终选择了跳跃起飞是有道理的。

通过机轮或弹射器起飞的常规固定翼无人机飞行性能比长腿的“渡鸦”更优，但是它们无法在地面自行移动。如果不考虑起飞和降落，仅考虑飞行性能的话，那么鸟类不长腿无疑能飞得更好。然而鸟类需要在地面移动，这是它们觅食等活动的必需。在长期进化过程中，鸟类的腿部实际上是一种折中，以部分牺牲飞行性能为代价，换取了地面行走能力，这笔“交易”是必要且划算的。

要想给无人机打造一副鸟类那样的腿脚并不容易，问题的关键在于功能、重量与复杂性之间的权衡。研究团队还是从研究鸟类入手，他们发现随着鸟类体型的增大，它们的腿部占身体重量的比例也会随之上升。小嘴乌鸦的腿部重量大约为100克，研究团队决定把它作为参考对象。研究团队既要会模仿，还要会简化。为减轻重量，他们跳过膝关节和脚趾驱动关节，选择了两段式肢体，64%的重量用于髋关节周围。踝关节通过滑轮和皮带系统驱动。脚部拥有三个前趾和一个后趾。工程团队在踝关节中加了一个扭簧，当腿弯曲时，扭簧会储存能量，当腿伸展时，扭簧与电机一起工作，产生更高的跳跃速度。这一工作机制很好模仿了飞鸟，能将跳跃速度提升25%。最终设计出的机械腿结构重量为230克，虽然比小嘴乌鸦的还是要重一些，但是已经足以让“渡鸦”行走和跳跃起飞。

研究团队重点研究了两种重量不同的鸟类，一种体重490克，另一种体重为780克，研究表明它们跳跃起飞所需的速度分别为1.85米/秒和3.21米/秒。根据这些数据，研究团队把“渡鸦”的跳跃起飞速度确定为2.5米/秒。机械腿也完全能满足这一要求，它能在0.17秒内帮助“渡鸦”达到这一速度。

测试表明，“渡鸦”在复杂的地面环境中有相当不错的移动能力。研究团队设计了一个基准任务场景，先让它以行走方式通过一个极为低矮的通道，然后跳过一个“壕沟”，到达对面更高的障碍物顶端。测试中，“渡鸦”很轻松地完成了挑战，就像鸟类在林间踱步觅食，借助腿部的扭簧和作动机构，“渡鸦”成功跳过了11厘米宽的“壕沟”，跳上了26厘米高的障碍物。

“渡鸦”的任务能力开发工作远未结束。研究团队表示，现阶段“渡鸦”还不能通过全部障碍，技术人员需要为每一个障碍物分别做出规划并编制程序——“渡鸦”的控制系统还不具备自适应能力。研究人员需要先用计算机模拟规划“渡鸦”的移动轨迹，然后把相关数据编成程序，才能驱动腿部作动机构完成这些动作。如果环境出现了临时变化，那么“渡鸦”就无法应付。接下来也许需要借助人工智能帮助“渡鸦”建立自我学习和规划能力。

此外，“渡鸦”还不能利用自己的腿完成着陆，或许说“不会”更合理，研究团队未来将努力使其具备这一能力。人们正考虑为“渡鸦”增加一些传感器，比如视觉或触觉传感器。“渡鸦”的另一个改进方向是为它设计可折叠的翅膀，这会帮助它通过更加狭小的空间。虽然目前“渡鸦”使用的是固定翼，但研究团队已经在考虑扑翼问题。扑翼对着陆很重要，鸟类在着陆时首先用翅膀进行减速，腿部主要负责支撑而不是减速。如果采用扑翼，那么“渡鸦”将成为真正像鸟一样的飞行机器人。

“渡鸦”能干什么？首先能想到的应用场景是灾害现场的搜救任务。这样的任务既要求机器人能在较大范围的现场快速移动，又能在任务地点通过复杂环境仔细搜索，这类任务对于既能飞也能走还能钻洞越障的“渡鸦”，再合适不过了。其次，“渡鸦”也许可以作为飞行快递员运送小型包裹。想想看，一只“渡鸦”拍着翅膀从远处飞来，叼着包裹轻盈降落在你家窗沿，隔着玻璃望着你，唤你来取件，是不是有几分海德薇的魔法味道？