在很早以前，人类就开始从鸟类身上寻找飞行的灵感了。这样的例子最早可以追溯到希腊神话故事中的伊卡洛斯（Icarus），他给自己贴满羽毛后朝着太阳飞翔，但是温度升高后，粘结羽毛的蜡融化了，他也摔了下来。到目前为止，人造飞行器一直无法像鸟类一样，用带有羽毛的可变机翼飞行，因为工程师们始终不清楚鸟类是如何控制它们翅膀上的羽毛的。
新发表的两项研究或许有助于改变这种现状。最近，研究人员设计并试飞了一种安装有羽毛的可变翼遥控飞行器，它可以像鸟类一样在飞行途中改变机翼的形状。与硬质的固定翼无人机相比，它拥有更好的操控性。
为了设计出这种遥控飞行器，研究人员首先用运动捕捉视频检测了鸽子在飞行时的动作，包括折叠和弯曲羽翼的方式。根据检测结果，他们可以为遥控飞行器的双侧机翼各装配20支羽毛，并且可以有效地控制每支羽毛的行动。这就是他们口中的“鸽式机器人”，相邻两片羽毛之间仅由弹性橡筋连接。在分析捕捉到的影像时，他们还发现了另一个秘密：鸟类在飞行时，羽毛上的微观结构是如何暂时地将羽毛相互钩连起来的。
到目前为止，鸽式机器人仍然需要真正的羽毛才能飞行，因此，研究人员必须想办法制造出逼真的替代品，这样才能将这项技术推向下一个阶段。
埃里克·常（Eric Chang）是斯坦福大学的机械工程学家，也是这项研究的共同作者，他们在分析了鸽子的真实数据后，搭建了这台配有羽毛的遥控飞行器。鸽子最厉害的地方在于，它能通过改变翅膀的形状实现急转弯。在模拟时，研究人员最想实现的也是这一点。运动捕捉影像已经表明，鸽子主要是通过打开和关闭翅膀上的关节来实现这套动作的。
飞行器的原型机采用泡沫作为机身，同时搭载了电子导航系统和控制羽毛动作的弹性橡筋。研究人员首先在风洞中测试了原型机，看它能否在模拟现实的大风时完成转弯操作。结果表明，它经受住了考验，这为开展室外滑行和飞行测试铺平了道路。当埃里克·常在地面遥控飞行器飞行时，他觉得这是一次难以置信的感官体验：“当飞行器最终安全降落，我松了一口气，整个人都瘫倒在地。”他们将相关研究成果发表在了《科学·机器人》杂志上。
鸽子的羽毛可以自动地与相邻的羽毛协同工作，形成光滑、灵活的翼面，而“鸽式机器人”的制作者必须完全清楚这种相互作用的机制。和许多鸟类一样，鸽子也是通过一种被称为裂片状纤毛（lobate cilia）的微结构才能实现羽毛间的相互作用。美国自然历史博物馆的动物学家特蕾莎·费奥（Teresa Feo）说，鸟类学家在20世纪初就记录下了这种结构，但是受限于当时光学显微镜的观测能力，他们认为鸟类裂片状纤毛的作用原理和砂纸差不多，只是增加了羽毛间的摩擦力。在今年1月的《科学》杂志上，费奥和这个团队还发表了一篇文章。她说：“我们发现，这些纤毛实际上并没有相互摩擦，而是钩在了一起。”她所在的研究团队详细记录了整个过程：当翅膀被合上时纤毛是如何松开的，当翅膀再次展开时纤毛又是如何抓住彼此的。
劳拉·马特洛夫（Laura Matloff）是斯坦福大学的机械工程学家，也是研究的共同作者。她认为，无论是扫描电镜，X射线显微镜还是CT扫描，这些现代化的分析技术让他们有机会深入研究羽毛。马特洛夫说：“借助这些仪器设备，我们是第一个真正重新审视裂片纤毛的研究团队。”
关于鸟类的羽毛如何发挥作用，还有一些未解之谜。该研究团队发现，仓鸮（barn owls）和夜鹰（night jars）是两种会在夜间捕食的鸟类，它们的羽毛上并没有纤毛。纤毛的微结构和尼龙搭扣差不多，互相分开时会产生噪音。对于这些隐形猎手来说，相比羽毛的连接性，演化的需求可能更偏向于安静地飞行。
美国得克萨斯大学奥斯汀分校的古生物学家朱莉娅·克拉克（Julia Clarke，并未参与这项研究）表示：“很明显，这是一个趋同演化的例子，需要权衡取舍。”虽然很难在化石中识别出纤毛这种细微的结构，但克拉克还是对纤毛的演化史非常感兴趣。
如果能够模仿羽毛做出既柔软又坚固的翼面，对人造可变形机翼而言有着无法估量的价值，而可变形机翼又是构建下一代无人机的关键。传统四悬翼无人机的机动性和悬停能力都不错，但埃里克·常认为，可变翼飞行器更安静，可以拥有更快的速度。他表示，自己的研究团队正在找寻并实现最佳的设计方案，“不仅仅要找到高效的机翼形状，还得能够十分动态地改变机翼的形状”。
英国萨塞克斯大学的仿生机器人学家菲尔· 赫斯本兹（Phil Husbands，并未参与该研究）认为，该研究“为新型仿生飞行器的发展指明了方向。这个领域还面临一个有趣的挑战 :如何做出与功能相匹配的人造羽毛。”
戴维·伦特恩克（David Lentink）是斯坦福大学航空工程学和实验动物学方面的专家。这两项研究伦特恩克都参与了。他表示，柔软的羽毛状机翼“在航空工程中从未出现过”，并且制造出实用的人造羽毛仍然是一项重要挑战。3D打印机目前还无法处理像裂片状纤毛这样纤细的结构。
伦特恩克认为，目前的“鸽式机器人”仍然可帮助动物学家，让他们更好地理解鸟类在飞行过程中是如何控制翅膀的。毕竟，科学家很难在风洞中研究活禽，也不可能训练它们按照指令只活动翅膀上的某一个关节或者某一个指关节。伦特恩克说：“我的目标是做出更逼真的鸟类模型，找到各种鸟类明显不同的飞行方式。”博物馆的羽毛资源非常丰富，在模仿其他鸟类的飞行时，科学家可以更好地探索“飞行方式的多样性”。这么做还可以用机器代替有知觉的动物，减少实验中对动物的需求。他还说：“从这些研究中，还能拓展出大量的科学问题。”
撰文：吉姆·戴利（Jim Daley）
翻译：罗广桢
文章来源：环球科学
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