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能模仿鸟类跳跃行走的无人机
科学家研发出能跳跃、行走的无人机RAVEN，灵感源于鸟类，兼具效率与多功能性，或为无人机未来设计指明新方向。
在瑞士日内瓦湖畔的洛桑联邦理工学院(EPFL)，不仅汇聚了众多机器人学家，还有大量鸟类在这里栖息。尽管鸟类能飞，但它们更常在地面上行走、跳跃，省力觅食。博士生Won Dong Shin在观察乌鸦时发现，这些鸟类几乎总是以跳跃启动飞行，而非直接振翅。他据此开发了一种仿生无人机RAVEN，让它像乌鸦一样能跳跃起飞，也能在地面上自如移动。
RAVEN的设计灵感源于鸟类的腿部结构。它采用弹簧状关节储存和释放能量，同时配备灵活的脚趾，能在起飞时精准控制角度。尽管这些机械腿不及鸟腿复杂，但它们让RAVEN具备了多样的“鸟类技能”。这款无人机翼展100厘米，机身50厘米，可在不到4秒内行走一米，跃过12厘米宽的间隙，并能跳上26厘米高的障碍物。起飞时，RAVEN的双腿助推它跃升近半米，并达到每秒2.2米的前进速度。
RAVEN的“脚趾”尤其关键。如果没有它们，这台机器会在着地时“扑街”。Shin解释，弹性脚趾关节不仅让RAVEN能适应多种步态，还能精准调整跳跃角度。相比复杂的动力脚，弹性脚趾既轻便又高效，符合无人机对重量的严格要求。整个RAVEN重量为620克，其中230克由腿部及相关部件组成。
然而，增加腿部设计是否值得？研究表明，尽管直接站立起飞也能让无人机升空，但这种方法不够稳定且耗能较高。而跳跃起飞能更高效地将动能和势能转化为飞行动力，比站立起飞节能十倍。此外，RAVEN还可以像鸟类一样，通过地面移动减少短距离飞行的能耗。
未来，Shin希望进一步开发RAVEN的腿部功能，例如模仿鸟类在降落时减速缓冲的能力。不过，要实现这一点，RAVEN需要配备感知系统，实时规划降落路径。其他潜在应用还包括游泳、栖息和抓取物体，当然，这需要重新设计脚部结构。
关于扩大设计规模，Shin表示，虽然鸟类越大越难以跳跃起飞，但工程系统比生物结构更易扩展。他对大规模固定翼无人机应用这一设计持乐观态度，例如用于货物运输。此外，团队还计划为RAVEN开发可折叠机翼，以便穿越狭窄空间，并为其配备视觉系统以实现避障和精准降落。Shin最终目标是让RAVEN尽可能接近鸟类，包括探索加入振翅功能，以拓展更多研究可能性。
这一研究发表于12月4日的《Nature》杂志，题为《仿鸟类多功能腿实现快速地空转移》。
本文译自 IEEE Spectrum，由 BALI 编辑发布。