可上天入海的仿飛魚無人航行器

2021-01-14 網易

　　目前，無人機的種類繁多用途廣泛，但大多數都是在天空中執行任務。靈感源於動物的仿生無人機近幾年也層出不窮，比如像賓夕法尼亞大學的GRASP實驗室研製的蜜蜂無人機群、德國科技公司Festo推出的仿生蜻蜓無人機等。

　　仿生飛魚水下無人航行器可自主轉換於空中與水裡

　　近日，據外媒報導，美國霍普金斯大學應用物理實驗室研製出仿飛魚的水下無人航行器FlyingFish, 它能夠在天空和水下兩種界面進行暢遊。據雷鋒網了解，這項發明的靈感來源於飛魚，因其可暢遊水裡也能躍至海面飛行的特性，這款水下無人航行器的研製受到它的啟發。

　　

　　「飛魚」概念機目前只作為一項獨立研究和開發的提案，工程樣機已開發成功 。仿生飛魚航行器樣機的主體由泡沫塑料和碳纖維材料構成，重約340克，推進系統為小型電機結合前置螺旋槳，飛行速度高達每小時48千米。

　　仿生「飛魚」航行器的螺旋槳設計與飛魚的魚尾鰭功能相似，它可以根據航行環境的不同來調整螺旋槳的轉速。從而自主地在水下與空中兩種環境順利轉換。當它從水裡暢遊準備轉換為空中無人機模式時，研究人員注意到，飛魚在水下加速到足以令它突破水氣界面的速度，然後躍至海面，在水氣界面轉換時仍會繼續提高動能以達到飛行的速度，從而令無人航行器像傳統固定翼飛機一樣運行。

　　儘管仿飛魚水下航行器原型機還未安裝環境感知相關負載，但依據其概念，這款水下無人航行器在執行遠距離水域或多個水域連續水下任務時，可升空高速飛行至目標水域後，進入水下收集環境數據或執行情報監視偵察，再出水升空傳回數據，較傳統無人潛航器更高效。

　　實驗室研發人員之一Joe Moore表示，「研發飛魚無人機最大的挑戰就在於利用一個單獨的電機螺旋槳組合來實現無人機從水域到空域的轉換，我們成功了。」

　　同時，另一位技術人員Will Setzler則說道，「飛魚無人機有著廣闊的前景，未來，我們期待著它能夠執行更多新的任務。」

　　根據這樣的功能及屬性，仿飛魚水下航行器未來可能會搭載多種傳感器，進行水下、水面、空中等多種領域的監測和偵察。

　　在研製仿生飛魚水下航行器之前，美國霍普金斯大學應用物理實驗室也曾經研發過兩款無人機，具有一定的經驗和技術積累。其中最具代表性的是：利用3D列印技術的空中無人機以及利用放射性同位素驅動的「蜻蜓」概念無人機。

　　3D列印空中無人機可用於高風險任務中

　　在此之前，美國霍普金斯大學應用物理實驗室，曾研製出一款利用3D列印技術的空中無人機。它被稱為「耐腐蝕空中隱蔽無人航海系統」，這款無人機能夠潛入水下長達數月而不會腐爛或者損壞。當它一旦收到任務指令，便第一時間從水下升至水面，開始飛行和執行多種任務。

　　

　　在研發過程中，如何防止無人機在海水出現腐爛現象，這是研發團隊面臨的挑戰之一。為了找出解決辦法，研發團隊在測試中先將3D列印無人機CRACUNS的敏感部件密封進一種感壓力容器內，然後將暴露在外表的嘛達使用保護塗料進行防水處理。最後，研究人員將無人機在海水中浸沒了兩個月後，發現其毫無腐爛跡象，也依然能夠滿負荷運行。

　　據雷鋒網了解，這款3D列印無人機是由3D列印部件和防水塗料組成，其優點在於製造成本較低且工序方便，因此便於大規模生產。並可以在高風險的任務中作為一次性的使用工具。除了軍事用途之外，它也可應用於非軍事用途，比如可幫助研究機構監控海洋等。

　　這臺3D列印無人機尚處於原型階段，根據資料顯示，它目前只能從水下發射到空中，其他功能仍在進一步完善，研究人員的下一個目標是令它能夠在完成空中任務之後繼續返回水下執行任務。

　　專為探索土星而打造的雙四旋翼無人機「蜻蜓」

　　霍普金斯大學的應用物理實驗室研究小組一直在專注對土星月球Enceladus和Titan的研究。其中，Titan低重力、濃厚但無風的大氣環境使得它成為了展開飛行探索性任務的完美對象。

　　雙四旋翼無人機「蜻蜓」項目的首席研究員Elizabeth Turtle指出，這種實驗是他們在實驗室無法進行的，因為涉及到時間尺度問題，而Titan富含有有機分子和液態水的表面卻能維持一段很長的時間尺度。此項目就是為了研究Titan生命前化學而設計的。

　　

　　由於Titan的雲層過於厚重，所以上面能夠吸收的太陽能效率比較低，為此，研究人員改用了多任務放射性同位素熱電機(MMRTG)為飛行器提供能源。據了解，MMRTG能讓這架雙四旋翼無人機在白天持續飛行一個小時，它將在夜晚期間進行充電。

　　蜻蜓無人機的空氣流動可以讓它增加收集樣本和測量的種類。在時長1個小時的飛行中，飛行器大概能飛10到20公裡。這意味著蜻蜓在為期兩年的任務中能夠探測到非常廣泛的範圍。

　　而NASA現階段正在對這些項目進行評估然後選出將能繼在新前線項目繼續下去的項目。雷鋒網獲悉，這個機構計劃在今年年底宣布一個或多個將可能會繼續獲得投資的項目，最終決定將在2019年年中公布，2025年則將正式執行。

　　近年來，霍普金斯大學在無人機的研製方面針對不同的研究目的展開了不同方向的探索，並取得了一定成果。雖然目前「蜻蜓」無人機和3D列印無人機尚處於繼續完善的階段，離落地尚存一段距離，但這也彰顯了人類在無人機科研領域中又跨出了新的一步。

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