無人機：不是我想長腿，《Nature》論文說這樣更省力
「這世界上有一種鳥是沒有腳的，它只能一直飛，飛累了就睡在風里，這種鳥一輩子只能下地一次......」
這種神奇的無腳鳥，是王家衛在《阿飛正傳》中留下的經典意象，也是這部電影最觸人心弦的隱喻。而在現實世界中，「無人機」應該算是最接近無腳鳥的存在。
但卻有這么一個研究團隊，非要給「無腳鳥」裝上腳。
在瑞士日內瓦湖畔，洛桑聯邦理工學院（EPLF）不僅是機器人專家們的圣地，更是各種小鳥的「快樂大本營」。然而，小鳥們現在似乎不太熱衷于飛行了，更喜歡在地面上悠哉游哉地散步，反正好吃的遍地都是。
「每當我在校園里遇到烏鴉時，我都會觀察它們是如何行走、跳過或躍上障礙物，以及如何起飛的，」EPLF 智能系統實驗室的博士生 Won Dong Shin 說道?！竿ㄟ^我的觀察，即使只需要用翅膀就能起飛，但鳥兒們總是以跳躍作為起步。」
Shin 將他的發現轉化成了論文，探討了鳥類為何通過跳躍起飛，以及如何將這一特性應用到固定翼無人機上。這篇論文已被《Nature》接收并發表。
- 論文標題：Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs
- 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08228-9
傳統的固定翼無人機通常需要跑道或彈射器才能起飛，而 Shin 開發的 RAVEN（Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments）無人機則采用了仿生鳥腿設計，讓無人機能像烏鴉一樣跳躍起飛，并在地面上靈活移動。
早在 2019 年，南非就有一家叫 Passerine 的創業公司提出了類似的設計，為貨運無人機裝上機械腿來幫助起飛。這個設計很受歡迎，因為無人機能飛得更遠、續航更久，比在機身上安裝多個螺旋槳要高效得多。
Passerine的無人機
「我們和 Passerine 都想讓固定翼飛行器能夠跳躍起飛，」Shin 解釋說，「但我們的目標不太一樣。Passerine 只關注如何讓無人機起跳，而我們的 RAVEN 想做的不止于此。」
仿生設計的無人機
多功能腿部設計讓 RAVEN 更接近真實的鳥類。雖然這些機械腿的復雜性和功能性還遠不及真實的鳥腿，但通過模仿大自然的智慧，比如像彈簧一樣能儲存和釋放能量的「人造肌腱」，以及能靈活抓握的機械腳趾，RAVEN 已經能像真正的鳥兒一樣輕盈地行走、跳躍了。
盡管名叫「渡鴉」，但 RAVEN 的體型實際上和烏鴉差不多：翼展 100 厘米，機身長 50 厘米。它能以每 4 秒 1 米的速度行走，跨越 12 厘米的縫隙，并能跳上 26 厘米高的障礙物。
在跳躍起飛時，RAVEN 的腿部能將無人機推送到近半米的起始高度，并達到 2.2 米 / 秒的起速。
RAVEN 的腳趾設計特別有趣，當它沒有腳趾時，RAVEN 就會狼狽地摔倒:
Shin 解釋道：「加入一個被動彈性腳趾關節非常重要，這樣可以實現多種步態模式，并確保 RAVEN 能夠以正確的角度進行起飛?！?/span>
大多數雙足機器人都采用可以直接控制腳部的角度的驅動器，但對于一個飛行機器人來說，出于重量的考慮，不能隨便在各處加上驅動器。事實上，RAVEN 的重量為 620 克，其中 230 克來自于這雙腿。
通過電機控制髖關節和踝關節的運動，形成了簡化但仍具有鳥類特征的腿部結構，而踝關節和腳趾關節中的彈簧則有助于吸收力量和儲存能量。
為什么要給無人機裝上腿呢？
問題在于，無人機和鳥類不同，它不需要腿部也可以起飛。由于 RAVEN 本身重量輕、動力強，即使不用腿部，只要調整好角度也能從地面起飛。這就讓人不禁思考：與其設計復雜的腿部機構，是否可以用幾根簡單的支撐桿來替代，一樣能達到幫助起飛的目的呢？
研究人員對此進行了測試，發現非跳躍起飛的效果很差。高攻角和低起飛速度的組合導致飛行極不穩定，雖然能飛，但很勉強。
相比之下，跳躍起飛的能量效率整體上比靜態起飛高出約 10 倍。正如論文總結的那樣，「盡管跳躍起飛需要略高的能量輸入，但在將驅動能量轉換為飛行所需的動能和勢能方面，這是最高效和最快速的方法。」
而且就像鳥類一樣，相比反復短距離飛行，RAVEN 也可以利用腿部在地面上以更節能的方式移動。
Won Dong Shin 拿著 RAVEN
能否應用到更大型的無人機上？
當然，鳥類的腿部除了行走、跳躍之外還有很多其他用途。Won Dong Shin 希望 RAVEN 的機械腿也能逐漸擴展。最顯而易見的就是用于降落：「鳥類利用腿部減速和緩沖沖擊力，這一原理也可以應用到 RAVEN 的腿部設計上，」Shin 說道。
不過，要實現這一點，無人機還需要配備感知系統來計算和預測降落軌跡、時機和姿態。此外，游泳、棲息和抓取等功能也都需要全新的腳部設計。
至于如何將這一設計擴展到更大尺寸的無人機，Shin 指出，超過一定體型的鳥類就無法通過跳躍起飛。它們要么需要從高處跳下，要么需要借助跑道。因此，如何讓這一設計適用于更大型、能夠承載有效載荷的無人機仍是一個挑戰。
Shin 強調，擴展工程系統通常比生物系統更容易，他對于 RAVEN 的腿部設計能夠用于需要大量承重的快遞無人機持樂觀態度。
目前，研究團隊正在開發一套視覺系統，用于避障和降落，同時也在研究能夠讓無人機通過狹窄縫隙的折疊翼。Shin 表示，「我也很想為 RAVEN 加入可以拍打翅膀的撲翼設計。這項改進將讓無人機的運動方式更接近鳥類，并提供更多有趣的研究課題。」
參考鏈接：
https://spectrum.ieee.org/bird-drone。
https://www.youtube.com/watch?v=-8DJ1a3sLIc&t=5s。
https://www.youtube.com/watch?v=ewYISBNg-6k。
