AI 科普丨无人机：不是我想长腿，《Nature》论文说这样更省力

转自 机器之心

机器之心报道

机器之心编辑部

「这世界上有一种鸟是没有脚的，它只能一直飞，飞累了就睡在风里，这种鸟一辈子只能下地一次......」

这种神奇的无脚鸟，是王家卫在《阿飞正传》中留下的经典意象，也是这部电影最触人心弦的隐喻。而在现实世界中，「无人机」应该算是最接近无脚鸟的存在。

但却有这么一个研究团队，非要给「无脚鸟」装上脚。

在瑞士日内瓦湖畔，洛桑联邦理工学院（EPLF）不仅是机器人专家们的圣地，更是各种小鸟的「快乐大本营」。然而，小鸟们现在似乎不太热衷于飞行了，更喜欢在地面上悠哉游哉地散步，反正好吃的遍地都是。

「每当我在校园里遇到乌鸦时，我都会观察它们是如何行走、跳过或跃上障碍物，以及如何起飞的，」EPLF 智能系统实验室的博士生 Won Dong Shin 说道。「通过我的观察，即使只需要用翅膀就能起飞，但鸟儿们总是以跳跃作为起步。」

Shin 将他的发现转化成了论文，探讨了鸟类为何通过跳跃起飞，以及如何将这一特性应用到固定翼无人机上。这篇论文已被《Nature》接收并发表。

• 论文标题：Fast ground-to-air transition with avian-inspired multifunctional legs

• 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08228-9

传统的固定翼无人机通常需要跑道或弹射器才能起飞，而 Shin 开发的 RAVEN（Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments）无人机则采用了仿生鸟腿设计，让无人机能像乌鸦一样跳跃起飞，并在地面上灵活移动。

早在 2019 年，南非就有一家叫 Passerine 的创业公司提出了类似的设计，为货运无人机装上机械腿来帮助起飞。这个设计很受欢迎，因为无人机能飞得更远、续航更久，比在机身上安装多个螺旋桨要高效得多。

Passerine的无人机

「我们和 Passerine 都想让固定翼飞行器能够跳跃起飞，」Shin 解释说，「但我们的目标不太一样。Passerine 只关注如何让无人机起跳，而我们的 RAVEN 想做的不止于此。」

仿生设计的无人机

多功能腿部设计让 RAVEN 更接近真实的鸟类。虽然这些机械腿的复杂性和功能性还远不及真实的鸟腿，但通过模仿大自然的智慧，比如像弹簧一样能储存和释放能量的「人造肌腱」，以及能灵活抓握的机械脚趾，RAVEN 已经能像真正的鸟儿一样轻盈地行走、跳跃了。

尽管名叫「渡鸦」，但 RAVEN 的体型实际上和乌鸦差不多：翼展 100 厘米，机身长 50 厘米。它能以每 4 秒 1 米的速度行走，跨越 12 厘米的缝隙，并能跳上 26 厘米高的障碍物。

在跳跃起飞时，RAVEN 的腿部能将无人机推送到近半米的起始高度，并达到 2.2 米 / 秒的起速。

RAVEN 的脚趾设计特别有趣，当它没有脚趾时，RAVEN 就会狼狈地摔倒:

Shin 解释道：「加入一个被动弹性脚趾关节非常重要，这样可以实现多种步态模式，并确保 RAVEN 能够以正确的角度进行起飞。」

大多数双足机器人都采用可以直接控制脚部的角度的驱动器，但对于一个飞行机器人来说，出于重量的考虑，不能随便在各处加上驱动器。事实上，RAVEN 的重量为 620 克，其中 230 克来自于这双腿。

通过电机控制髋关节和踝关节的运动，形成了简化但仍具有鸟类特征的腿部结构，而踝关节和脚趾关节中的弹簧则有助于吸收力量和储存能量。

为什么要给无人机装上腿呢？

问题在于，无人机和鸟类不同，它不需要腿部也可以起飞。由于 RAVEN 本身重量轻、动力强，即使不用腿部，只要调整好角度也能从地面起飞。这就让人不禁思考：与其设计复杂的腿部机构，是否可以用几根简单的支撑杆来替代，一样能达到帮助起飞的目的呢？

研究人员对此进行了测试，发现非跳跃起飞的效果很差。高攻角和低起飞速度的组合导致飞行极不稳定，虽然能飞，但很勉强。

相比之下，跳跃起飞的能量效率整体上比静态起飞高出约 10 倍。正如论文总结的那样，「尽管跳跃起飞需要略高的能量输入，但在将驱动能量转换为飞行所需的动能和势能方面，这是最高效和最快速的方法。」

而且就像鸟类一样，相比反复短距离飞行，RAVEN 也可以利用腿部在地面上以更节能的方式移动。

Won Dong Shin 拿着 RAVEN

能否应用到更大型的无人机上？

当然，鸟类的腿部除了行走、跳跃之外还有很多其他用途。Won Dong Shin 希望 RAVEN 的机械腿也能逐渐扩展。最显而易见的就是用于降落：「鸟类利用腿部减速和缓冲冲击力，这一原理也可以应用到 RAVEN 的腿部设计上，」Shin 说道。

不过，要实现这一点，无人机还需要配备感知系统来计算和预测降落轨迹、时机和姿态。此外，游泳、栖息和抓取等功能也都需要全新的脚部设计。

至于如何将这一设计扩展到更大尺寸的无人机，Shin 指出，超过一定体型的鸟类就无法通过跳跃起飞。它们要么需要从高处跳下，要么需要借助跑道。因此，如何让这一设计适用于更大型、能够承载有效载荷的无人机仍是一个挑战。

Shin 强调，扩展工程系统通常比生物系统更容易，他对于 RAVEN 的腿部设计能够用于需要大量承重的快递无人机持乐观态度。

目前，研究团队正在开发一套视觉系统，用于避障和降落，同时也在研究能够让无人机通过狭窄缝隙的折叠翼。Shin 表示，「我也很想为 RAVEN 加入可以拍打翅膀的扑翼设计。这项改进将让无人机的运动方式更接近鸟类，并提供更多有趣的研究课题。」

https://spectrum.ieee.org/bird-drone

https://www.youtube.com/watch?v=-8DJ1a3sLIc&t=5s

https://www.youtube.com/watch?v=ewYISBNg-6k

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