一种既会游泳，也能冲出水面飞行的机器人

潜鸟、海鸥、海鹦和海燕，是大约100种既能飞行又能游泳的鸟类中的一部分。这些潜水鸟能够扎入水中，游动追逐猎物，随后又跃出水面，重新飞向空中。

在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个研究团队受到这些天生适应水域环境的飞行者启发，设计出一种就像潜水鸟一样，能够在水下游动，随后拍动翅膀冲出水面，继续在空中飞行的机器人。这种机器人被称为“扑翼空中-水下航行器”，简称FAAV，重量不到300克。它旨在帮助科学家研究潜水鸟得以在空气和水中运动的力学机制。

这台机器人由一个中央机体，也就是机身、两片能够拍动的柔性机翼，以及一个可操纵的尾部组成。机翼和尾部均可更换为不同尺寸。通过在水箱和当地湖泊中开展实验，研究人员进一步测试了机翼尺寸、拍翼频率和尾部角度如何影响机器人从水下游动到冲出水面、进入飞行的过程。

同时适应空气和水

在这项新研究中，研究团队试图设计一种既能在空中飞行、又能在水下运动的航行器。水的密度约为空气的1000倍，在两种介质中运动通常需要不同的力学策略。要让同一台机器人完成这种转换，研究人员转向自然界寻找答案。

新研究分析了海鹦如何潜水、游动和飞行，以及它们如何在空气与水之间转换。（图/Raphael Zufferey via KCLU）

海鹦等鸟类能够在空中高速飞行，也能潜入水中，以每秒3米的速度游动。它们可以完成一些非常惊人的动作。因此，研究人员意识到，这是一种可行的运动方式，只是过去还没有人尝试在移动机器人系统中实现。

为了了解潜水鸟如何飞行，研究团队查阅了科学文献，汇总了海鹦、海燕、翠鸟以及其他潜水鸟类的现有数据。他们发现，体型较小的鸟在空中飞行时，每秒大约拍翼10次；在水下游动时，每秒则大约拍翼4次。体型较大的鸟由于翼展更宽，无论在空气中还是水中，拍翼频率都会略低一些。

基于对鸟类生物力学的认识，研究团队开发出一种有翼机器人，其拍翼频率被设计得与真实潜水鸟相近。

跨介质运动的柔性机翼

这种新型机器人的外形大致类似一只鸟，具有机身、两片机翼和一个尾部。机身内部装有电池和防水电动机。电动机驱动一根曲轴，再由曲轴带动机翼以预设频率上下拍动。机翼由薄膜制成，表面覆盖有疏水纳米颗粒，有助于迅速排开附着的水。尾部同样由电机驱动，可以改变角度，帮助机器人向上飞行或向下潜水。

这些机器人可以更换不同尺寸的机翼。研究人员制造并测试了三组机翼：小型机翼宽60厘米，中型机翼宽80厘米，大型机翼宽100厘米。他们首先在一个小型水箱中开展实验，随后又在瑞士的日内瓦湖进行了测试。

在测试中，研究人员将机器人放置在水面下约半米处。他们设定机翼以特定频率拍动，并让尾部在机器人的整个运动过程中保持特定的俯仰角。随后，他们观察机器人在什么条件下能够成功向水面游去、冲出水面并进入空中。

研究人员在日内瓦湖测试了这种空中-水下机器人，证实它仅靠拍动翅膀，就能以足够的速度和动力冲出水面。（图/Raphael Zufferey via KCLU）

研究人员让机器人在不同机翼尺寸、拍翼频率和尾部角度下进行了多次飞行。总体而言，他们发现，采用中型机翼时，机器人能够较为稳定地完成飞行、游动以及水和空气之间的转换。机翼的柔性是其中的关键：机翼必须足够柔软，才能在水中减小实际拍动幅度；同时又必须具有足够的刚度，以便在空中产生维持飞行所需的升力。

研究人员还发现，当机器人的拍翼频率约为5赫兹，也就是每秒拍翼5次时，它们在水中的游动速度可接近每秒1米。在采用相近拍翼频率时，机器人在空中的飞行速度约为每秒6米。机器人的运动速度和拍翼频率都与真实潜水鸟相近。

从水中直接起飞

此外，研究人员还发现，要让机器人从水中跃入空中，其机身俯仰角应保持在70度。这是一个相对陡峭的角度，可以避免机器人向上拍翼并冲入空中时，翼尖触碰水面。如果角度再大一些，机器人就会向后翻倒，重新跌入水中。

图片示意了机器人冲出水面、飞向空中的运动轨迹。（图/Raphael Zufferey via KCLU）

有趣的是，这种机翼尺寸、拍翼频率和尾部俯仰角的组合，使机器人能够在水下游动、冲离水面并进入飞行状态，而不需要借助许多潜水鸟起飞时不可或缺的身体结构——脚。当海鹦和鸭子等鸟类从水面起飞时，它们不仅会拍动翅膀、调整尾部角度，还会用脚划水。出乎意料的是，研究人员发现，对于机器人而言，从水中飞出并不一定需要划水动作。

飞向海洋观测的新工具

这一成果有望帮助科学家理解潜水鸟如何调整其飞行力学机制，从而在空气和水这两种物理性质截然不同的介质中运动。这一设计还有可能催生一类新型空中-水下无人机和航行器。

接下来，研究团队将进一步改进机翼设计，使机翼除了上下拍动之外，还能够转动。他们还将测试机器人在扰动环境中的表现，例如从波涛起伏的水面冲出，以及在有风条件下飞行。此后，他们希望将这种航行器实际部署到海洋环境中，用于回答海洋科学中的相关问题。

研究人员表示，海洋科学面临的一项重大挑战，是如何以较高频率在众多地点采集数据，而这种机器人未来有望完成这类任务。它们能够飞近研究人员感兴趣的区域，比如冰山、港口设施，或者一群鲸的上空。随后，它们可以潜入水中进行测量或采集样本，再飞回来传送数据，而成本只有传统方法的一小部分。之后，它们还可以再次出发，继续潜水执行任务。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/new-flapping-robot-swims-and-flies-like-diving-bird-0709

https://www.kclu.org/science-technology/2026-07-09/a-new-kind-of-robot-swims-the-seas-and-soars-the-skies

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb6744

#图片来源：

封面图&首图：Raphael Zufferey via KCLU