張唯誠(chéng)

斯坦福研發(fā)仿生機(jī)器鳥

數(shù)百年來(lái)，人們?cè)谧鲈O(shè)計(jì)時(shí)一直企圖模仿鳥類。著名藝術(shù)家、科學(xué)家達(dá)·芬奇早在15世紀(jì)80年代就指出，鳥類可以激發(fā)人們制造飛行器的靈感，這個(gè)預(yù)測(cè)已經(jīng)成為事實(shí)。如今，鳥類正在激發(fā)人們研制仿生無(wú)人機(jī)和機(jī)器鳥的靈感?？茖W(xué)家們正投入研制外觀上酷似鳥類的仿生無(wú)人機(jī)和機(jī)器鳥，它們的行為和鳴叫都近似自然界中的鳥兒。例如，一個(gè)研究小組通過(guò)制造仿生機(jī)器鳥，以研究鳥類如何通過(guò)學(xué)習(xí)掌握各自獨(dú)特的鳴叫。此外，還有科學(xué)家致力于研制驅(qū)趕鳥類的鳥形無(wú)人機(jī)，以避免機(jī)場(chǎng)附近的鳥兒與正在起降的飛機(jī)相撞。

鳥類在機(jī)場(chǎng)附近出沒，對(duì)飛行安全構(gòu)成威脅

機(jī)場(chǎng)安全的衛(wèi)士——機(jī)器游隼

從1990年至2022年間，美國(guó)報(bào)告了超過(guò)26萬(wàn)起民用飛機(jī)與鳥類相撞的事件。這樣的事件并非僅僅發(fā)生在美國(guó)，全球很多機(jī)場(chǎng)都被同類事件所困擾，鳥類對(duì)飛行安全構(gòu)成了很大的威脅。盡管這些擁有一身羽毛的小精靈十分可愛，但在機(jī)場(chǎng)，它們是不受歡迎的。

為了提高驅(qū)鳥的效率，荷蘭格羅寧根大學(xué)的工程師們制造了一種無(wú)人機(jī)，它有著和游隼一樣的翅膀和尾巴，以及看上去與游隼毫無(wú)二致的灰色羽毛和斑點(diǎn)，是一種在外形上可以亂真的機(jī)器游隼。

游隼是一種捕食多種鳥類的猛禽。雖然科學(xué)家們并不太清楚鳥類如何評(píng)判對(duì)它們構(gòu)成的威脅，但他們大都認(rèn)同，許多鳥類對(duì)捕食者的恐懼是烙印在它們的大腦中的，而機(jī)器游隼的逼真外形會(huì)讓小鳥認(rèn)為這種飛行器是真正的游隼。機(jī)器游隼的原材料是玻璃纖維和硬質(zhì)塑料，有一對(duì)螺旋槳安裝在機(jī)器游隼的機(jī)翼前端，而頭部攝像頭傳回的視頻可以讓無(wú)人機(jī)飛行員輕松操縱它機(jī)動(dòng)靈活地飛行。

科學(xué)家們分別測(cè)試了機(jī)器游隼和普通驅(qū)鳥無(wú)人機(jī)在驅(qū)趕機(jī)場(chǎng)常見鳥類（包括椋鳥、海鷗、田鳧、烏鴉、寒鴉等）方面所展示的能力，對(duì)機(jī)器游隼與普通驅(qū)鳥無(wú)人機(jī)在驅(qū)鳥時(shí)的表現(xiàn)進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，被普通驅(qū)鳥無(wú)人機(jī)追逐的鳥兒更有可能降落到機(jī)場(chǎng)附近的野地里；而機(jī)器游隼則能把鳥兒驅(qū)趕得更遠(yuǎn)，所需的時(shí)間也更短。顯然，機(jī)器游隼比普通驅(qū)鳥無(wú)人機(jī)表現(xiàn)得更好。這種鳥形無(wú)人機(jī)驅(qū)趕鳥類時(shí)，鳥類會(huì)像遇到了真正的游隼一樣更快地逃離。

目前，世界上大多數(shù)的機(jī)場(chǎng)使用一系列激烈的策略來(lái)驅(qū)逐附近的鳥類。例如射擊、釋放獵鷹或者發(fā)出炫目的光等，這些方法會(huì)對(duì)鳥類造成傷害。相較之下，機(jī)器游隼被認(rèn)為是一種“對(duì)動(dòng)物友好的方法”。

靈巧的仿生樹棲無(wú)人機(jī)

如今，人們利用高空飛行的無(wú)人機(jī)來(lái)繪制動(dòng)物分布地圖。例如，這些無(wú)人機(jī)可以估算水鳥繁殖地的變化、找到稀有的雨林猴子。然而，無(wú)人機(jī)也有一些難以施展本領(lǐng)的地方，比如森林的樹冠之下?，F(xiàn)在，一種新型的仿生無(wú)人機(jī)正在填補(bǔ)這個(gè)空缺，這種無(wú)人機(jī)的研制靈感來(lái)自樹懶和松鼠等樹棲動(dòng)物，這些動(dòng)物以獨(dú)特的方式用手臂抓住樹木，并懸吊在高處。

無(wú)人機(jī)在空中飛行會(huì)消耗大量電能，但要采集足夠的數(shù)據(jù)，它們又時(shí)常需要長(zhǎng)時(shí)間地懸停在一個(gè)地方。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的科學(xué)家彼得·鄭解釋道：“你在一個(gè)地方逗留的時(shí)間越長(zhǎng)，你獲得的數(shù)據(jù)就越豐富?！?/p>

為了節(jié)省電量，且能讓無(wú)人機(jī)采集足夠豐富的數(shù)據(jù)，鄭的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能在飛行和棲息之間相互切換的無(wú)人機(jī)。這種無(wú)人機(jī)的4個(gè)螺旋槳能將無(wú)人機(jī)送達(dá)某一高處。當(dāng)無(wú)人機(jī)準(zhǔn)備懸停時(shí)，機(jī)上的一個(gè)馬達(dá)拉動(dòng)一套繩索，并立即觸發(fā)無(wú)人機(jī)前面的一只“手臂”，讓它繞著一根樹枝彎曲。于是，無(wú)人機(jī)被鎖定在了樹枝上。一旦無(wú)人機(jī)被鎖定，馬達(dá)就會(huì)關(guān)閉——它已經(jīng)牢牢地固定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙狭恕?p>

機(jī)器游隼驅(qū)趕鳥類的效率更高

在茂密的熱帶森林里，科學(xué)家們需要利用無(wú)人機(jī)獲得更多研究數(shù)據(jù)

這款仿生無(wú)人機(jī)的研制靈感雖然來(lái)自樹懶和松鼠等樹棲動(dòng)物，但在某種程度上，它更像是模仿了鳥類抓握樹枝以棲息于其上的行為。無(wú)人機(jī)的抓取臂上有成排的鋼刺，當(dāng)它像鳥爪一樣握住樹枝時(shí)，尖刺扎在樹皮上，無(wú)人機(jī)便牢牢地固定住了。2023年1月23日，鄭的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)報(bào)告》上對(duì)外公布了這款設(shè)計(jì)。

當(dāng)仿生無(wú)人機(jī)棲息在樹枝上時(shí)，機(jī)上搭載的設(shè)備可以探索野生動(dòng)物和它們的棲息地。例如，麥克風(fēng)可以錄下鳥鳴和猴子的叫聲，相機(jī)可以拍照，在線傳感器可以監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度。這種無(wú)人機(jī)的特別之處就在于，它在樹上待多長(zhǎng)時(shí)間都可以。

小鳥的“歌唱教練”

在自然界，野生動(dòng)物的叫聲是它們維系生存和繁衍的一項(xiàng)重要本領(lǐng)。在這方面，鳥類更是如此。然而，鳥類是如何學(xué)習(xí)它們各自獨(dú)特的鳴叫的呢？在荷蘭萊頓大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，兩只斑胸草雀站在木棲上，這種面頰上有橙色斑塊，頸前部有黑白條紋的小鳴禽主要生活在澳大利亞干燥的草原上?，F(xiàn)在，這對(duì)小鳥“學(xué)生”正在接受鳴叫輔導(dǎo)，它們專注地傾聽一只小鳥“教練”發(fā)出的由顫音和唧唧聲組成的復(fù)雜旋律。但這只小鳥“教練”并不是真鳥，它是一只名為“RoboFinch”的仿生機(jī)器鳥。

研究人員設(shè)計(jì)RoboFinch的目的是研究年幼的鳴禽需要聽到和看到什么才能更好地學(xué)習(xí)歌唱。這樣的機(jī)器鳥有一天可以幫助稀有鳥類學(xué)會(huì)更好地生存?？茖W(xué)家們觀察到，在大自然中，野生鳥類的鳴叫似乎面臨著困境。如果在野外沒有足夠的榜樣，那么雛鳥可能無(wú)法學(xué)會(huì)它們特有的叫聲。這種情況可能已經(jīng)發(fā)生在一些物種身上了，如王吸蜜鳥。這種瀕危的鳥類由于缺乏成年同類的示范，看上去已經(jīng)無(wú)法學(xué)會(huì)自身特有的叫聲了，這將導(dǎo)致它們無(wú)法完成求偶過(guò)程。科學(xué)家們擔(dān)心，如果沒有指導(dǎo)，那么很多鳥兒可能將失去作為一個(gè)物種的獨(dú)特鳴叫聲。

為了避免這種情況出現(xiàn)，研究人員制造了能運(yùn)用錄音技術(shù)釋放逼真的鳥鳴的機(jī)器鳥。他們還錄下成年雄鳥的高速視頻，然后對(duì)機(jī)器鳥進(jìn)行編程以使它能模仿鳥兒鳴叫時(shí)鳥喙和頭部的動(dòng)作。最后，研究人員給機(jī)器鳥涂上了和真鳥外形一樣的顏色，這樣一來(lái)，酷似真鳥且能訓(xùn)練小鳥鳴叫的機(jī)器鳥“教練”便誕生了。

在訓(xùn)練過(guò)程中，雛鳥似乎能密切關(guān)注機(jī)器鳥的動(dòng)作。當(dāng)RoboFinch歌唱時(shí)，小鳥們通常會(huì)立即接近它。雖然并非所有的小鳥都能學(xué)會(huì)教授的曲調(diào)，但它們確實(shí)幾乎立刻就對(duì)RoboFinch產(chǎn)生了興趣。

2018年國(guó)際鳥盟的一份報(bào)告表明，全球每10種鳥類中就有4種正在減少。根據(jù)2019年《科學(xué)》雜志的一項(xiàng)研究，自1970年以來(lái)，僅北美就失去了近30億只鳥。為此，科學(xué)家們正在尋找可以遏制全球鳥類數(shù)量下降的辦法。一些科學(xué)家認(rèn)為，研制仿生機(jī)器鳥可以成為其中的一項(xiàng)重要手段，因?yàn)橛帽普娴姆律鷻C(jī)器鳥接近小鳥，不會(huì)對(duì)小鳥造成壓力，因而更容易獲得豐富且真實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù)。也許在未來(lái)，仿生機(jī)器鳥還可以被放到野外以幫助極度瀕危的鳥類，雛鳥遺孤可以依附在機(jī)器鳥的身邊，向機(jī)器鳥學(xué)習(xí)鳴叫和其他野外生存的本領(lǐng)。

小鳥“教練”RoboFinch（中間）正在教兩只斑胸草雀練習(xí)鳴叫