麻省理工学院的工程师开发了可以飞行和航行的自主滑翔机

由麻省理工学院的工程师设计的信天翁滑翔机掠过了查尔斯河。照片：加布里埃尔·布斯凯（Gabriel Bousquet）

麻省理工学院的工程师设计了一种机器人滑翔机，它可以沿着水面掠过，像信天翁一样乘风而过，也像帆船一样冲浪。

在强风区域，该机器人被设计为可以高空飞行，就像禽类机器人一样。在风较为平稳的地方，机器人可以将龙骨浸入水中，就像乘坐高效的帆船一样。

该机器人系统借鉴了航海和生物设计，可以使用信天翁三分之一的风速覆盖给定距离，并且航行速度比典型帆船快10倍。滑翔机也比较轻巧，重约6磅。研究人员希望，在不久的将来，这样的紧凑，快速的机器人水分离器将被部署在团队中，以调查大片的海洋。

麻省理工学院航空与航天系的前博士后加布里埃尔·布斯奎特（Gabriel Bousquet）说：“海洋仍然受到严重监视，”他在研究生论文中领导了机器人的设计。“特别是，了解南部海洋及其与气候变化的相互作用非常重要。但是很难到达那里。现在，我们可以使用一种规模较小的系统，高效地利用环境中的能量来进行长途旅行。”

Bousquet将于本周在澳大利亚布里斯班举行的IEEE机器人与自动化国际会议上介绍机器人系统的详细信息。他在该项目上的合作者是机械工程与信息科学和脑科学教授Jean-Jacques Slotine。亨利·L·格蕾丝·多尔蒂（Grace Doherty）海洋科学与工程教授Michael Triantafyllou。

由麻省理工学院的工程师设计的信天翁滑翔机掠过了查尔斯河。

速度物理学

去年，Bousquet，Slotine和Triantafyllou发表了关于信天翁飞行动力学的研究，他们在其中确定了使不倦的旅行者能够跨越广阔的距离而又消耗最少的能量的机制。鸟类马拉松航行的关键是其能够进出高低速空气层的能力。

具体来说，研究人员发现这只鸟能够执行称为“动量传递”的机械过程，在这种过程中，它从较高，较快的空气层中吸收动量，并通过将传递的动量降低到较低，较慢的层中，从而自我推进无需不断拍打翅膀。

有趣的是，Bousquet观察到信天翁的飞行物理学与帆船旅行的物理学非常相似。信天翁和帆船都传递动量以保持运动。但是对于帆船来说，这种传递不是发生在空气层之间，而是发生在空气和水之间。

Bousquet解释说：“风帆用帆从风中汲取动力，然后用龙骨向后推，将其注入水中。”“这就是为帆船提取能量的方式。”

Bousquet还意识到信天翁和帆船的行进速度取决于与动量传递有关的相同的一般方程式。从本质上讲，如果鸟和船可以轻松地在高处停留，或者与速度非常不同的两层或中层相互作用，则它们的行驶速度都可以更快。

信天翁与前者很好，因为它的翅膀可以自然升起，尽管它在风速相对较小的空气层之间飞行。同时，帆船在后一种方面表现出色，尽管在船体之间产生了很大的摩擦力并阻止了它的高速行驶，但它在两种速度非常不同的介质之间移动（空气与水）。Bousquet想知道：如果可以将车辆设计成在两个指标上都表现出色，同时兼顾信天翁和帆船的高速品质怎么办？

“我们认为，我们如何才能从两全其美中汲取精华？”布斯克说。

在水上

该团队为这种混合动力汽车起草了一个设计，该设计最终类似于翼展为3米的自动滑翔机，类似于典型的信天翁。他们增加了一个高大的三角形帆，以及一个细长的，像翅膀一样的龙骨。然后，他们进行了一些数学建模，以预测这种设计的运行方式。

根据他们的计算，这辆风力驱动的汽车只需要大约5节的相对平静的风就可以以大约20节或每小时23英里的速度滑过水面。

“我们发现，在微风中，您的航行速度比传统帆船快三至十倍，并且您需要的风速是信天翁的一半，才能达到20节的速度，” Bousquet说。“这非常有效率，即使风不太多，您也可以非常快地旅行。”

该团队使用由麻省理工学院航空与航天学教授马克·德拉（Mark Drela）设计的滑翔机机身构建了他们的设计原型。他们在滑翔机底部增加了龙骨以及各种仪器，例如GPS，惯性测量传感器，自动驾驶仪和超声波，以追踪滑翔机在水面上的高度。

“这里的目标是表明我们可以非常精确地控制我们在水面之上的高度，我们可以让机器人在水面之上飞行，然后下降到龙骨可以在水下行进以产生力，然后飞机仍然可以飞行。”

研究人员决定测试这种“关键动作”，即在空中飞行和将龙骨浸入水中航行之间过渡的行为。完成此举并不一定需要一帆风顺，因此Bousquet和他的同事们决定不包括这样的举动，以简化初步实验。

在2016年秋天，该团队对其设计进行了测试，将机器人从MIT航行亭发射到了查尔斯河上。由于机器人没有风帆，也没有启动它的任何机制，因此该团队将其从与捕鲸船相连的钓鱼竿上吊下。通过这种设置，船将机器人沿河拖曳，直到达到每小时20英里的速度，此时机器人自动“起飞”，独自乘风。

一旦它自动飞行，Bousquet就使用遥控器向机器人发出了“下沉”命令，促使其下降到足以将龙骨浸入河中的程度。接下来，他调整了龙骨的方向，并观察到机器人能够按预期的方向离开船。然后，他发出命令让机器人向后飞，将龙骨从水中提起。

“我们飞得非常接近水面，几乎没有出错的余地-一切都必须准备就绪，” Bousquet说。“所以压力很大，但非常令人兴奋。”

他说，这些实验证明了该团队的概念装置可以在风和水的推动下成功行驶。最终，他设想了这种车辆的舰队将自动，有效地监视大片海洋。

Bousquet说：“想象一下，当风很大时，您可以像信天翁一样飞翔，然后当风不足时，龙骨可以让您像帆船一样航行。”“这极大地扩展了您可以去的地区的种类。”

这项研究得到了Link Ocean Instrumentation奖学金的部分支持。