臺灣博物館；你的博物館: 『臺博新知』：撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝／國立臺灣博物館
歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士

美國史丹佛大學（Stanford University）倫廷克（David Lentink）副教授領導的研究團隊仿生鳥翼和蝙幅翼，研發出一款遭遇障礙物時可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機，能在密林枝葉或建築物間輕鬆飛越狹窄空間，即使意外撞擊障礙也能迅速恢復，並繼續執行如環境（空污）監測、海上巡邏、國土保育、急難搜救、氣象觀測和通訊中繼等既定任務，未來能夠據此動態模型開發出不同大小和形狀機型，擴大應用範圍。研究成果已於2015年3月在《生物靈感與仿生》（Bioinspiration & Biomimetics）期刊發表。

仿生鳥和蝙蝠的撲翼型無人機遇障礙時可摺疊回彈機翼，遭意外撞擊也能恢復，將用於環境監測、急難搜救等（繪製者：王美乃）。

鳥類和蝙蝠的翅膀外觀雖然不同，但在解剖學上與人類的手臂屬於同源構造，搧動雙翼就能靈活準確地起降和飛抵目的地，充分展現輕鬆駕馭空氣動力學的特性。鳥類泛指鳥綱（Aves）動物，大部分物種都具有飛行能力。為了適應飛行，演化出總重量僅佔體重5%的輕盈強健骨骼、強壯的肌肉、高效新陳代謝的循環系統及呼吸系統等，與飛行有關的骨骼架構由上而下分為：肩胛骨、鳥喙骨、和肱骨，構成類似人的肩膀和上臂；肱骨則與尺骨和橈骨相連，類似人的手肘；往下連接腕骨、掌骨、和指骨，類似人的手腕和手掌。骨骼相接處具有關節，讓鳥翼能伸縮與摺疊，尤其飛越或經過狹小空間時適度收縮翅膀，可防止意外碰撞到異物或其他生物，或分散減輕碰撞力量而避免受傷。飛行時以喙上肌讓翅膀往上抬升，胸大肌使翅膀向下拍動，並用覆蓋體表的羽毛調整飛行姿態，尤其是尾羽可控制飛行方向。至於蝙蝠為翼手目（Chiroptera）動物，在四肢和尾巴間覆蓋薄而堅韌的皮質翼膜和股間膜，腳和尾巴在飛行時可控制身體平衡。

都市常見的野鴿（Columba livia）具可摺疊翅膀，早已被人類普遍飼養繁殖（圖片來源：賴景陽）。

研究團隊以鳥翼為靈感設計仿生翅膀，使用碳纖維（carbon fiber）仿生鳥翼骨骼製作骨架，因鳥類皮膚和羽毛結構較複雜，故搭配仿生蝙蝠皮質翼膜的麥拉膜（Mylar®，即聚酯薄膜）取代，製造左、右機翼，翼展長40公分，翼弦長（chord length，指機翼前緣和後緣連成直線的長度）8公分，並以3D列印如鳥類腕關節（wrist joint）的針狀關節，連接臂翼和手翼骨架。透過關節能帶動手翼讓機翼撲動，遇到障礙時，無需額外動力驅動，手翼可以臂翼為基準，在0.07秒內像鳥翼般自由摺疊或回彈展開，只增加撲翼型無人機3%總重量。

機翼分成仿鳥類肩胛骨到橈骨的「臂翼」和從腕骨到指骨的「手翼」，兩者間用三秒膠以3D印表機列印厚度29微米（μm=10-6m）的針狀關節連結，骨架前緣的臂翼採用半徑1公釐、手翼為半徑0.8公釐的D形碳纖維構成，表面覆蓋5微米厚的麥拉膜，並用Weldwood樹脂以左、右翼的針狀關節為端點，各黏著直徑0.28公釐的4根圓形碳纖維，模仿蝙蝠指骨加強機翼，能承受氣流壓力不致破損。這種構造和機制使臂翼透過關節與機體相連並驅動翅膀，手翼在撲翼過程中自動摺疊和展開。

實際以鋼條撞擊測試結果發現，當推撞發生時機翼能自動摺疊變形，若用鋼條模擬無人機在飛行中碰到樹枝或牆壁的大力撞擊時，機翼的尖端透過向內側摺疊動作吸收衝擊力量，且因振翅運動引起的離心力驅動，機翼會快速回彈，並在0.07秒（機翼搧動頻率為14赫茲，即每秒搧動14次，故搧動一次約需0.07秒）內完全展開復原，證明這款機翼遇到障礙時，無需感應器、馬達等助力或電力即可被動調整恢復。

為理解翅膀如何摺疊和展開的動力學，研究團隊根據以往相關實驗數據，並分析46種鳥類的振翅幅度（flapping amplitude）和248種鳥類的翅膀摺疊比率（fold ratio），發現兩者間在16種鳥有相關性。他們以電腦創建振翅幅度和翅膀摺疊比率的動態模型進行模擬測試，得到能從撞擊中恢復的機翼設計，試驗改變振翅頻率、機翼的幾何形狀、和釋放時間等不同組合，發現只有較高的振動頻率和幅度導致在絕對時間內更快展開機翼，但機翼的幾何形狀和釋放時間對被動摺疊變形機制無太大影響，故得出無論機翼或機體尺寸，這款機翼設計在遇到障礙時都能迅速摺疊變形，並迅速回彈展開的結論。再用高速攝影機紀錄鴿子和太平洋鸚鵡（Forpus coelestis）飛行試驗，分析結果確實均符合此動態模型。將來生產的可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機，不但節能且可在空中躲避碰撞、穿越障礙，運用於實境空拍、探測建築、偵測監控重要軍情、獵殺攻擊特定目標、貨物快遞等方面。

（以上新聞編譯自2015年3月25日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

日期：2017/4/20

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

資料來源：

Stowers, A. K. and D. Lentink. 2015. Folding in and out: passive morphing in flapping wings. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 025001-1-16.

延伸學習：

鳥類生理解剖學。2017。維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%B8%9F%E7%

B1%BB%E7%94%9F%E7%90%86%E8%A7%A3%E5%89%96%E5%AD%A6（瀏覽日期：2017/03/13）。