自动滑翔机可以像信天翁一样飞翔像帆船一样巡航

麻省理工学院的工程师设计了一种机器人滑翔机，可以沿着水面掠过，像信天翁一样乘风，同时像帆船一样冲浪。在强风区域，机器人被设计为高空飞行，就像它的鸟类一样。在平静的风中，机器人可以将龙骨砸入水中，就像高效的帆船一样。借用航海和生物设计的机器人系统可以使用三分之一的风信天覆盖给定距离，并且比典型的帆船快10倍。滑翔机也相对轻巧，重约6磅。研究人员希望，在不久的将来，这种紧凑，快速的机器人水撇水器可以部署在一起，以调查大片的海洋。

麻省理工学院航空航天系的前博士后加布里埃尔·博斯凯(Gabriel Bousquet)表示：“海洋仍然受到极大的监控。”他将机器人的设计作为研究生论文的一部分。“特别是，了解南大洋及其如何与气候变化相互作用非常重要。但要实现这一目标非常困难。我们现在可以通过有效的方式利用环境中的能量进行长途旅行，系统仍然是小规模的。“

Bousquet本周将在澳大利亚布里斯班举行的IEEE国际机器人与自动化大会上展示机器人系统的细节。他在该项目上的合作者是机械工程和信息科学以及脑科学教授Jean-Jacques Slotine;和Michael Triantafyllou，Henry L.和Grace Doherty海洋科学与工程教授。

速度的物理学

去年，Bousquet，Slotine和Triantafyllou发表了一项关于信天翁飞行动力学的研究，其中他们确定了使不知疲倦的旅行者能够在消耗最少能量的同时覆盖很远距离的机制。鸟类马拉松航行的关键是它能够进出高速和低速的空气层。

具体来说，研究人员发现这只鸟能够进行一种称为“动量转移”的机械过程，其中它从更高，更快的空气层中获取动力，并通过将动力转移到更低，更慢的层，推动自身无需不断拍打翅膀。

有趣的是，Bousquet观察到信天翁飞行的物理学与帆船旅行的物理学非常相似。信天翁和帆船都转移动量以保持运动。但是在帆船的情况下，转移不是在空气层之间，而是在空气和水之间。

“帆船用帆从风中取出动力，然后用龙骨向后推入水中，”Bousquet说。“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转移相关的相同的一般方程。从本质上讲，如果鸟类和船只能够轻松地高空飞行或者与两层或中等速度非常不同的人交互，那么鸟类和船只都可以更快地行进。

信天翁与前者相处得很好，因为它的翅膀提供了自然的升力，尽管它在空气层之间飞行，风速相对较小。与此同时，帆船在后者中表现优异，在两种速度非常不同的介质之间行进 - 空气与水 - 虽然它的船体产生大量摩擦并阻止其获得很大的速度。Bousquet想知道：如果一辆车可以设计成在两个指标上表现良好，与信天翁和帆船的高速品质相结合怎么办?

“我们想，我们怎么能从两个世界中取得最好的成绩呢?”Bousquet说。

在水面上

该团队起草了这种混合动力汽车的设计，最终类似于翼展3米的自主滑翔机，类似于典型的信天翁。他们增加了一个高大的三角形帆，以及一个细长的翼状龙骨。然后，他们进行了一些数学建模，以预测这样的设计将如何传播。

根据他们的计算，风力车辆只需要相对平静的大约5节的风速以大约20节或每小时23英里的速度穿过水面。

“我们发现，在微风中，你可以比传统帆船快三到十倍的速度旅行，而你需要的风量大约是信天翁的一半，达到20节，”Bousquet说。“它非常高效，即使没有太多风，你也可以非常快速地旅行。”

该团队使用由麻省理工学院航空航天教授Mark Drela设计的滑翔机机身制作了他们设计的原型。在滑翔机的底部，他们添加了一个龙骨，以及各种仪器，如GPS，惯性测量传感器，自动驾驶仪表和超声波，以跟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上的高度，并且我们可以让机器人飞到水面上，然后下降到龙骨可以在水下产生力的地方，以及飞机仍然可以飞，“Bousquet说。

研究人员决定测试这种“关键机动” - 在空中飞行和将龙骨向下倾斜以在水中航行之间的过渡行为。完成这一举动并不一定需要启航，因此Bousquet和他的同事决定不包括一个以简化初步实验。

2016年秋天，该团队对其设计进行了测试，将机器人从麻省理工学院帆船馆发射到查尔斯河上。由于机器人没有帆和任何启动它的机制，所以该团队将其悬挂在与捕鲸船相连的钓竿上。通过这种设置，船沿着河拖着机器人，直到它达到每小时20英里，此时机器人自动“起飞”，独自骑风。

一旦它自动飞行，Bousquet使用遥控器给机器人一个“向下”命令，促使它下降到足以将龙骨淹没在河中。接下来，他调整了龙骨的方向，并观察到机器人能够如预期的那样远离船。然后，他命令机器人飞回来，将龙骨从水中抬起。

“我们飞得非常接近水面，而且误差很小 - 一切都必须到位，”Bousquet说。“所以这是非常高的压力，但非常令人兴奋。”

他说，这些实验证明，该团队的概念设备可以成功地行驶，由风和水提供动力。最终，他设想这些车辆的船队自主地和有效地监视大片海洋。

“想象一下，当它真的刮风时，你可以像信天翁一样飞翔，然后当没有足够的风时，龙骨可以让你像帆船一样航行，”Bousquet说。“这极大地扩展了你可以去的地区。”

日期：

2018年5月17日

资源：

麻省理工学院

摘要：

工程师设计了一种机器人滑翔机，可以