潜鸟、海鸥、海鹦、海燕等百余种鸟类均可兼顾飞行与水下游动。这类潜水鸟类能够扎入水中追逐猎物，随后再度腾空飞走。

受这类天生兼具游水与飞行能力的鸟类启发，美国麻省理工学院与瑞士洛桑联邦理工学院的科研人员研发出一款机器人。该机器人可在水下潜行，随后通过扑动翅膀冲出水面，继续在空中飞行，形态与行动方式和潜水鸟类高度相似。近日，相关研究成果发表于《科学》。这项研究有望催生全新一类可空水两栖航行器，用于海洋探测。

这款“扑翼式空水两栖航行器”（简称FAAV）重量不足300克（约半磅），研发初衷是协助科学家研究潜水鸟类实现空水双栖飞行的力学原理。

扑翼式空水两栖航行器。     图源：麻省理工学院

机器人由机身、两片可灵活扑动的机翼与可操控尾翼构成，机翼与尾翼均可更换不同尺寸的配件。科研人员在小型水箱与当地湖泊开展多组试验，筛选出适配的机翼尺寸、扑动频率与尾翼倾角组合，让机器人能够平稳完成水下潜行、冲破水面、空中飞行的全过程切换。

该研究结果有助于科学家厘清：潜水鸟类如何调整自身飞行动力学，在物理特性截然不同的空气与水体两种介质中移动。该设计方案同时有望催生新一代空水两栖无人机与航行设备。研究人员设想，这类带翼机器人可应用于海洋学研究：飞往各类水域采集样本，而这些水域对于传统海洋船舶而言往往风险过高、难以抵达。

论文第一作者、麻省理工学院机械工程助理教授Raphael Zufferey表示：“我们的终极构想是，海洋学家、海洋生物学家以及沿海居民可从船只或岸边投放这款机器人。它能低空飞抵目标区域，例如冰山、港口设施或是鲸群上方；随即潜入水下完成测量、采集样本，再折返传送数据，成本仅为传统作业方式的零头，之后还能再次下水开展更多探测工作。”

这款新型机器人整体外形酷似鸟类，包含机身、双机翼与尾翼。机身内置电池与防水电机，电机驱动曲轴，带动机翼按照预设频率上下扑动。机翼由薄膜制成，表面覆有疏水纳米颗粒，可快速排走附着水分；尾翼搭载独立电机，可调整倾角，控制机器人上浮下潜。

机翼支持更换不同尺寸规格。研究人员制作并测试了三套机翼：小型（翼展60厘米）、中型（翼展80厘米）、大型（翼展100厘米）。试验先后在小型水箱、瑞士日内瓦湖开展。

测试数据显示：机翼以约5赫兹（每秒5次）的频率扑动时，机器人水下游速接近每秒1米；保持相近扑动频率，空中飞行速度可达每秒6米。机器人的游动、飞行速度与扑动频率均与真实潜水鸟类相近。

团队同时发现，若要顺利从水中腾空，机器人尾翼俯仰角需调至70度。这一较大倾角可避免机翼上抬升空时翼尖触碰水面；若倾角过大，机器人会向后倾覆落回水中。

值得关注的是，依靠这套机翼尺寸、扑动频率与尾翼倾角的组合，机器人可独立完成水下潜行、水面起飞、空中飞行全套动作，无需多数潜水鸟类起飞时必备的足部辅助。海鹦、野鸭等鸟类从水面起飞时，除扑动翅膀、调整尾翼外，还会用脚掌划水助推。Zufferey及其团队意外发现，至少在机器人设备上，出水飞行并不一定需要划水助推这一动作。

Zufferey表示：“海洋科学领域一大核心难题，是大范围、高频次采集海洋数据，而这款机器人未来有望解决该痛点。它无需每周出动，甚至可每小时执行一次探测任务，高速往返：起飞、下潜、返程回传数据，循环执行多次探测作业。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.aeb6744