费斯托智能鸟破译鸟类飞行原理（机器鸟就能飞翔）

天高任鸟飞。

蓝天上自由翱翔的鸟儿，一直是大众视线追逐的焦点。

我们什么时候才能插上一对鸟儿的翅膀，像它一样展翅高飞？

如果要体验鸟儿的感受，在飞机、热气球等一堆带人上天的飞行装备中，单人飞行器是最接近鸟儿飞行体验的一种。配置动力的单人喷气式飞行背包，还有无动力的滑翔飞行翼装，这些由自己掌控的单人飞行装备，能让你体验到鸟儿御风翱翔时的空灵豪迈。

只是我们向往的人造翅膀，像鸟儿一样收收翅膀就能转个弯，扇扇羽毛就能避过气旋涡流的敏捷轻盈，这个持续千年的梦想到现在都没能实现。不过，机器人设计师带来一个好消息，他们已经触摸到梦想的边缘。制造一对能带领人类飞翔，真正的鸟儿的翅膀，并没有想象中那么困难。

说到鸟儿的翅膀，先问你一个问题，扇动翅膀飞行时，鸟儿的翅膀，跟蝙蝠和昆虫的翅膀相比，有什么不同？

鸟儿翅膀最大的特点是由一根根的羽毛组成，而蝙蝠和昆虫的翅膀是一整张的膜翅。膜翅中间不能透风，可羽毛翅就不一样了。当鸟儿张开翅膀时，只要转转单根羽毛的角度，就能让空气从缝隙间流过。透风的翅膀比不透风的翅膀，驾驭气流的能力更强。

高速摄像机拍下鸟儿飞行时的慢动作，当鸟儿向下挥动翅膀时，展开的翅膀上，羽毛紧密合拢，中间密不透风。这时翅膀挥动时给了空气一个向下的力，跟它对应的是，空气给了翅膀一个向上的反作用力。翅膀面积越大，挥动的力量越强，空气支撑身体的反作用力也越强。当鸟儿向上扇动翅膀时，舒展伸平的翅膀会收缩弯折，减小阻力。飞行中改变翅膀的形状，只有翅膀上有骨骼支撑的鸟儿和蝙蝠才能够做到，而昆虫在飞行时，没法改变翅膀的形状。

图片上可以看到鸽子飞翔的细节，鸽子提翅时，翅膀上单根羽毛偏转了一个角度，于是密闭的翅膀中间出现缝隙，上方的空气能通过缝隙流动到下方。翅膀就像百叶窗一样，向下扇动时合拢，向上扇动时打开，这意味着，向上挥动时的空气阻力比下划时要小很多。转动羽毛，气体流过缝隙来减小空气阻力，这是鸟儿独有的本事，蝙蝠就做不到了。

以前我们看到模仿鸟儿设计的各式各样的机器鸟，能像鸟儿一样扑翼飞行的翅膀，全都是一个整体的膜翅，而不是一根根的羽毛翅。要给每一根羽毛都加上控制器和传感器，让它们既能独立活动，又能整体配合，像鸟儿一样飞翔，就连最顶级的机器人技术，也没有办法做到。

虽然复杂版的羽毛翅做不到，但是简化版的羽毛翅没问题，而且成品的效果非常好。斯坦福大学团队用40根鸽子羽毛，插在机器身体上，做出的机器鸟。在天空中飞翔的机器鸟，扇动的是真正的羽毛翅。

在解析团队怎样控制羽毛之前，我们先来看鸟儿翅膀是怎样运动的。鸟儿翅膀从爬行动物的前肢演化而来，它翅膀上的骨骼跟你的前臂类似，一共分为3段，第1段是从肩到肘的肱骨，这是你的胳膊部分。第2段是从肘到手腕的尺骨和桡骨，这是你的手臂部分，第3段是手腕以下的手掌和指骨。连接手臂和手掌的腕骨，是控制翅膀变化的重要关节。

翅膀上的羽毛，翼尖上最长最硬的这一排羽毛叫做初级飞羽，它是飞行中承担风压的主力，由掌骨和指骨控制运动。只要剪短飞羽，鸽子就不能飞了。旁边稍微短一些的这排羽毛，叫做次级飞羽，由尺骨控制运动。在鸽子的单边翅膀上，有10根初级飞羽和10根次级飞羽。飞羽上面，一层层覆盖着更短也更软的覆羽。

团队简化了复杂的羽毛细节，只保留主力，用20根鸽子的真飞羽做成单边羽毛翅。羽毛翅的控制也遵循最简化的原则，只用腕骨和指骨2处关节，来控制翅膀的变形。

在羽毛翅的张合测试中，调节不同的控制频率，或快或慢，羽毛的伸展和折叠都很流畅。第一步测试成功了，但是在下一步风洞测试中出了问题。吹过翅膀的气流稍微强一点儿，单根羽毛就会被吹散，不能像鸽子的真翅膀，保持一个扇面整体不变。

鸽子是怎样把单根羽毛连成一片，不会被风吹散的？团队在X射线扫描下，找到了羽毛上的小秘密。翅面的羽小支上，有两种结构，一种是弯钩，另一种是凹槽。两根重叠的羽毛打开，当一根羽毛滑动时，羽毛上的弯钩会勾住另一根羽毛上的凹槽。翅膀展开后，单根羽毛通过钩子跟旁边的羽毛连成一体。而收拢翅膀时，弯钩和凹槽错位，扣住的羽毛自动解锁了。

人造的羽毛翅，不能像鸟儿一样主动控制羽毛的细微运动，遇到强气流时，大风会把羽毛上的小搭扣吹开。鸟儿的羽毛被吹乱后，只要抖抖翅膀就能归位，但人造翅上吹散的羽毛不能自动复位。不过没关系，这个问题很好解决。团队在羽毛翅的翅根上，加了一根橡皮筋，把独立的单根羽毛连在一起。简单直接的橡皮筋，又轻便又好使，撑开后拉住单根羽毛，连成一片扇面，不会被风吹散了。

装上鸽子翅膀的机器鸟终于能上天展翅高飞了，机器鸟的动力由螺旋桨提供，翅膀调节它的飞行变化。

看到天上的鸽子机器鸟时，有人嘲笑说，真鸽子的鼻子上不会顶着一个螺旋桨。但恰恰是这只螺旋桨，打开了人类展翅高飞的新思路。把飞行动力和翅膀分开后，我们就有机会体验到鸟儿扇动翅膀的自由强大。

鸟儿最大的动力需求在起飞阶段，当飞到空中后，鸟儿就能借助气流省力了。信天翁连续几天不着陆，遨游蓝天时，它的动力90%来自于气流。当你插上人造翅膀，起飞时的能量由动力包提供，等飞到空中后，你的飞行就交给翅膀掌控。调节方向时，像鸟儿一样，收收腕骨就能转个弯。遇到强气流时，转转指骨，像打开百叶窗一样打开羽毛间隔，让气体穿流而过化解阻力。

插上翅膀的你，像鸟儿一样灵巧，用翅膀驾驭瞬息变化的气流，御风而行。好风凭借力，送你上青云。

鸽子机器鸟首飞成功，给我们搭建了人造翅膀的框架，顺路走下去，距离人类真正展翅的那天就不远了。

本文有视频：鸽子机器鸟

附：今天继续更新自然界里的秘密系列文章，这是第39篇：机器鸟。