科学家是如何模仿蝙蝠让飞机安全（科学家研制出蝙蝠机器人）

在多数情况下，如果你想要一架轻快且易操控的飞行器，四轴飞行器无疑是最好的选择。但这并不是因为它的飞行表现最佳，而是它相对便宜且容易操控。

你可能已经注意到，很少有动物会转动自己的翅膀；只要条件允许，动物们更倾向于拍打翅膀——这样做的其中一个原因是这个动作让飞行更高效，而且特别容易掌控。

为机器人制作翅膀并使其学会控制翅膀并非易事，这也是为什么市面上的“机器鸟”远不如四轴飞行器多。然而，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和加州理工学院的研究员Alireza Ramezani、Soon-Jo Chung以及Seth Hutchinson却迎难而上——制造“机器鸟”就已经够难了，而他们还在研究怎么制造更先进更复杂的蝙蝠机器人。

在过去的几年里，他们一直研发一款名叫Bat Bot（B2）的蝙蝠机器人。三位研究员在去年于斯德哥尔摩举行的世界机器人与自动化大会（ICRA2016）上针对这种机器人发表了一篇论文。近日，B2还登上了最新一期《Science Robotics》的封面。

其实，蝙蝠和鸟的翅膀完全不同，这不单单是因为鸟的翅膀有羽毛而蝙蝠的没有。通常，当机器人学家在设计以鸟或昆虫为灵感的仿生机器人时，他们会照着动物翅膀的形状进行粗略的模仿，或将几个不同的部位灵活地连接起来。

然而，蝙蝠的翅膀有着不同的工作原理：它们的翅膀从根本上说是个可变形的肌肉骨骼系统。这套系统有超过40个自由度（DoF)），而且有些骨骼会在翅膀扇动时主动变形以实现更好地飞行。

此外，蝙蝠翅膀的翼面是一层非均质薄膜，因此它的柔韧度可以轻松调节。研究人员表示，蝙蝠正是依靠这种精巧的构造得以敏捷地飞行——但制造蝙蝠机器人也因此变得十分困难。

实际上，这三位研究员并没有完全模仿蝙蝠的翅膀构造去设计机器人（这样生产出来的机器人可能会很重，飞行也会很困难）。他们在设计时只“复制”了蝙蝠的五个自由度：肩部、肘关节、手腕弯曲、腿和尾巴的运动。尽管如此，理论上来讲，这款蝙蝠机器人可以复制真正蝙蝠超过57%的飞行动作。此外，B2仅重93克，体积与埃及果蝠相近，翼展长达47厘米。

为了实现自主飞行，B2用的是机载的定制电子部件。导航和控制算法在主控板上实时运行，而处理传感器数据和控制作动器用的是单独的数据采集器。传感器包含一个惯性测量装置(IMU)和五个位于肘部、臀部和翅膀关节处的磁编码器。

然而，B2的翼面会随着飞行时的每个动作而变形（如拉伸、收缩和扭曲），这会对飞行产生不小的影响——这也是B2使用这么多自由度的其中一个原因。

蝙蝠机器人的机翼是由柔性硅胶膜制成的，只有56微米厚。此外，研究人员使用了闭环控制系统——这样就可以通过调节B2的自由度让翼面变形，从而使得机器人完成各种动作。

现在B2已经能够自主地运动——平稳飞行、巡航（直线飞行的同时以高至10赫兹的速率拍动翅膀）、倾斜飞行、急速俯冲这些动作B2都可以成功实现。研究者还说，这项技术“还可能帮助其它研究在设计中借鉴蝙蝠的飞行原理”。

实际上，蝙蝠是一种很神奇的生物：除了能够倒立（如果最初的动作是朝着右上方飞，那么改为倒立是很困难的），它们还可以用翅膀夹住捕捉到的昆虫带回家吃。

当说起蝙蝠这两个特性时，研究人员透露他们正在研究如何让蝙蝠机器人倒立，至于在空中用翅膀夹住昆虫（或者别的东西）这个技能，估计在短时间内不会实现，毕竟机器人的主要任务是飞行。

尽管B2尚无法完全复制真正的蝙蝠，它已经开始帮助我们了解这种动物是如何飞行的：我们可以用蝙蝠机器人进行多次试验，从而了解蝙蝠是如何借助翅膀飞行的——但“说服”真正的蝙蝠在同一条路连续飞10次就不太可能了。

未来，B2（或类似的蝙蝠机器人）可以被用于那种离障碍物很近的飞行任务，因为翅膀比螺旋桨要更抗撞。研究人员尤其希望将蝙蝠机器人用于工地检查，同时他们也谈到了这种机器人在救灾和监控领域的应用前景。

然而，我们何时能用上商用的蝙蝠机器人还是个未知数。但能肯定的是，只有电池、作动器和计算机领域都取得进一步的突破，这一天才有可能到来。我们衷心希望研究人员在未来能继续展示他们的成果，与我们分享蝙蝠机器人的演变。