科技动态▏麻省理工学院（MIT）等团队的扑翼式水空两栖机器人FAAV有哪些创新？

前不久，麻省理工学院（MIT）与洛桑联邦理工学院（EPFL）的联合团队，造出了一台既会游泳、又能原地起飞的仿生扑翼水陆两栖机器人（FAAV），重约250克、纯粹靠拍打翅膀就能在“水下游泳—水面腾空—空中飞行”三种状态间自由切换的仿生机器鸟，该研究成果已发表在顶级期刊《科学》（Science）上。

麻省理工学院空中-水中机器人实验室（MITAUR ALab）项目页给出的原型数据是：整机质量不超过300克，翼展约88厘米；水下最高游速约0.95米/秒，空中巡航速度约6.3米/秒；水到空气的转换过程小于1秒；部件成本约300美元。扑翼式水空两栖机器人（FAAV）作为标准化生物力学测试平台，实现多重核心创新：

一是硬件结构创新，用一套柔性扑翼系统同时搞定飞行和游泳，彻底砍掉了传统两栖机器人必备的螺旋桨、推进器和复杂的翅膀折叠机构。整机仅重约250克，由碳纤维机身、两片柔性薄膜翅膀和一个可操控尾翼组成，只用一台小型防水电机驱动。FAAV完全舍弃了腿部结构，仅依靠翅膀完成水下潜行、空中巡航、俯冲入水、70°最优角度破水起飞全流程动作，整个过程不到1秒，只需8到10次扑翼。

鸟类和机器人的空中-水生运动和适应性

二是定量实验体系创新，用可精确控制的机器人作为“物理模型”，系统性地量化了水空两栖运动中各关键参数的独立影响，而非仅展示一台能飞能游的机器。团队搭建了风洞室内水槽＋天然湖泊双测试环境，系统量化机翼尺寸、柔性、扑动频率、机身尾距、出水倾角对升力、推力、功耗、运输成本、起飞成功率的影响。它把机器人从“工程演示品”变成了“生物力学实验仪器”，通过参数化定量测量，回答了在活体动物上难以验证的科学问题，同时为跨介质机器人设计提供了可复用的设计准则。

在不同介质中的运动和表现

三是跨介质运动机理新发现，明确70°出水倾角为无腿起飞最优工况。空中巡航扑翼频率5.2–6Hz，水下游泳最高6Hz，跃出水面时瞬间提升至8–10Hz，这个频率比与真实潜水鸟类高度一致。并测得破水起飞能耗是水下巡航10倍以上。

四是工程应用创新，用一套简单的扑翼系统替代了传统跨介质航行器复杂的折叠翼加双推进结构，实现了从水下到空中的全流程自主切换。可从船只或岸边放飞，低空飞抵冰山、港口设施或鲸群上方，再潜入水下测量、采集样本后飞回传数据，成本远低于传统海洋船舶作业，且能实现每小时一次的高频次探测，大幅提升海洋数据采集的效率和覆盖范围。

介质之间的过渡

过去那些尝试水空两栖的机器人，几乎都要靠叠加复杂度来“硬刚”。加可折叠的机翼、加螺旋桨、加腿部推进机构等等，结果往往是机器人越做越大、越做越重，功能上看似“能下水也能上天”，实际上“两头都不精”。而这台机器鸟的高明之处，恰恰是做减法：没有螺旋桨、没有腿部支撑、没有任何复杂的折叠结构，只靠一对翅膀。整个水空切换过程干净得像做一次深呼吸。

FAAV最大的技术难题在于，同一对翅膀，怎么既能适应水的阻力，又能“扛起”空气的升力？MIT团队给出的答案是——柔性翅膀＋精密控制拍打频率。在水下，翅膀会被动弯曲到90度，像鸟收起翅膀贴身一样，大幅降低电机的负荷、缩短单次拍打的有效行程，此时拍打频率维持在每秒0.1到6次，配合中性浮力设计，机器鸟在水中不沉不浮，稳稳当当还能省钱省电；在空气中机器鸟依靠同样的翅膀结构，以每秒11次的频率快速拍打，依靠高速扑动获得足够的升力维持飞行。

一套结构，两种工况，靠的是把“力”的设计主动权从肌肉（电机）转移到“形态”上，翅膀会在不同介质里“变成”它需要的形状。

自然界里，大约有100种鸟能够在水陆空之间自如切换。它们潜水捕食，然后直接从水面起飞。过去，学界普遍猜测鸟在水下收缩翅膀是为了“省力”，但通过这台机器鸟的对照实验，团队提出了一个新的可能：水下收翅，或许是鸟类为了游得更快，而非单纯节能。

项目负责人、MIT机械工程助理教授Raphael Zufferey 给出了一个很实在的愿景：让海洋学家、海洋生物学家乃至沿海社区，都能用上这种低成本的“两栖无人机”，去完成环境监测、样本采集、观测海洋生物等任务。

试想，在台风来临前，一群250克的机器鸟从科研船上起飞，掠过海面潜入水下，查看珊瑚礁的健康状况，再浮出水面飞回岸边。几百美元的成本，让它不再只是实验室的“奢侈品”，而是可以批量放飞的采样工具。

在军事领域，跨介质之“新”，不在于“既能游又能飞”，而在于将生物启发转化为可嵌入联合作战体系的边缘传感触角。未来，竞争焦点将从“做出跨介质动作”转向四大方向的叠加成熟：微平台能源密度、变体翼鲁棒性、海况级过渡控制、跨域集群组网协议。

仿生对象将从单一海鹦转向“海鹦扑翼＋翠鸟入水角＋飞鱼滑跃＋软体变体”的综合借鉴；单器跨介质微节点将与USV、UUV、自主直升机、卫星构成“高频微闭环＋大平台中继”的混合体系；载荷侧走向无源视觉、微型声学、地磁匹配与水空通信调度的深度融合。军用化路径上，近期侧重于海洋科考、港监、冰缘采样，中期嵌入声呐浮标投递与近岸无源目标核验，远期将纳入AUKUS海床战与反潜边缘节点序列。

当然，它现在还处于实验室测试阶段，自主导航、海水环境适应性、续航能力都还有很长的路要走。但方向已清晰：让机器人像鸟一样，自由穿梭于水面与天空，正在变成现实。

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