鸟类机器人：借助大自然的智慧

张唯诚

斯坦福研发仿生机器鳥

数百年来，人们在做设计时一直企图模仿鸟类。著名艺术家、科学家达·芬奇早在15世纪80年代就指出，鸟类可以激发人们制造飞行器的灵感，这个预测已经成为事实。如今，鸟类正在激发人们研制仿生无人机和机器鸟的灵感。科学家们正投入研制外观上酷似鸟类的仿生无人机和机器鸟，它们的行为和鸣叫都近似自然界中的鸟儿。例如，一个研究小组通过制造仿生机器鸟，以研究鸟类如何通过学习掌握各自独特的鸣叫。此外，还有科学家致力于研制驱赶鸟类的鸟形无人机，以避免机场附近的鸟儿与正在起降的飞机相撞。

鸟类在机场附近出没，对飞行安全构成威胁

机场安全的卫士——机器游隼

从1990年至2022年间，美国报告了超过26万起民用飞机与鸟类相撞的事件。这样的事件并非仅仅发生在美国，全球很多机场都被同类事件所困扰，鸟类对飞行安全构成了很大的威胁。尽管这些拥有一身羽毛的小精灵十分可爱，但在机场，它们是不受欢迎的。

为了提高驱鸟的效率，荷兰格罗宁根大学的工程师们制造了一种无人机，它有着和游隼一样的翅膀和尾巴，以及看上去与游隼毫无二致的灰色羽毛和斑点，是一种在外形上可以乱真的机器游隼。

游隼是一种捕食多种鸟类的猛禽。虽然科学家们并不太清楚鸟类如何评判对它们构成的威胁，但他们大都认同，许多鸟类对捕食者的恐惧是烙印在它们的大脑中的，而机器游隼的逼真外形会让小鸟认为这种飞行器是真正的游隼。机器游隼的原材料是玻璃纤维和硬质塑料，有一对螺旋桨安装在机器游隼的机翼前端，而头部摄像头传回的视频可以让无人机飞行员轻松操纵它机动灵活地飞行。

科学家们分别测试了机器游隼和普通驱鸟无人机在驱赶机场常见鸟类（包括椋鸟、海鸥、田凫、乌鸦、寒鸦等）方面所展示的能力，对机器游隼与普通驱鸟无人机在驱鸟时的表现进行了比较。结果显示，被普通驱鸟无人机追逐的鸟儿更有可能降落到机场附近的野地里；而机器游隼则能把鸟儿驱赶得更远，所需的时间也更短。显然，机器游隼比普通驱鸟无人机表现得更好。这种鸟形无人机驱赶鸟类时，鸟类会像遇到了真正的游隼一样更快地逃离。

目前，世界上大多数的机场使用一系列激烈的策略来驱逐附近的鸟类。例如射击、释放猎鹰或者发出炫目的光等，这些方法会对鸟类造成伤害。相较之下，机器游隼被认为是一种“对动物友好的方法”。

灵巧的仿生树栖无人机

如今，人们利用高空飞行的无人机来绘制动物分布地图。例如，这些无人机可以估算水鸟繁殖地的变化、找到稀有的雨林猴子。然而，无人机也有一些难以施展本领的地方，比如森林的树冠之下。现在，一种新型的仿生无人机正在填补这个空缺，这种无人机的研制灵感来自树懒和松鼠等树栖动物，这些动物以独特的方式用手臂抓住树木，并悬吊在高处。

无人机在空中飞行会消耗大量电能，但要采集足够的数据，它们又时常需要长时间地悬停在一个地方。伦敦帝国理工学院的科学家彼得·郑解释道：“你在一个地方逗留的时间越长，你获得的数据就越丰富。”

为了节省电量，且能让无人机采集足够丰富的数据，郑的研究团队设计了一种能在飞行和栖息之间相互切换的无人机。这种无人机的4个螺旋桨能将无人机送达某一高处。当无人机准备悬停时，机上的一个马达拉动一套绳索，并立即触发无人机前面的一只“手臂”，让它绕着一根树枝弯曲。于是，无人机被锁定在了树枝上。一旦无人机被锁定，马达就会关闭——它已经牢牢地固定在适当的位置上了。

机器游隼驱赶鸟类的效率更高

在茂密的热带森林里，科学家们需要利用无人机获得更多研究数据

这款仿生无人机的研制灵感虽然来自树懒和松鼠等树栖动物，但在某种程度上，它更像是模仿了鸟类抓握树枝以栖息于其上的行为。无人机的抓取臂上有成排的钢刺，当它像鸟爪一样握住树枝时，尖刺扎在树皮上，无人机便牢牢地固定住了。2023年1月23日，郑的研究团队在《科学报告》上对外公布了这款设计。

当仿生无人机栖息在树枝上时，机上搭载的设备可以探索野生动物和它们的栖息地。例如，麦克风可以录下鸟鸣和猴子的叫声，相机可以拍照，在线传感器可以监测环境温度和湿度。这种无人机的特别之处就在于，它在树上待多长时间都可以。

小鸟的“歌唱教练”

在自然界，野生动物的叫声是它们维系生存和繁衍的一项重要本领。在这方面，鸟类更是如此。然而，鸟类是如何学习它们各自独特的鸣叫的呢？在荷兰莱顿大学的实验室里，两只斑胸草雀站在木栖上，这种面颊上有橙色斑块，颈前部有黑白条纹的小鸣禽主要生活在澳大利亚干燥的草原上。现在，这对小鸟“学生”正在接受鸣叫辅导，它们专注地倾听一只小鸟“教练”发出的由颤音和唧唧声组成的复杂旋律。但这只小鸟“教练”并不是真鸟，它是一只名为“RoboFinch”的仿生机器鸟。

研究人员设计RoboFinch的目的是研究年幼的鸣禽需要听到和看到什么才能更好地学习歌唱。这样的机器鸟有一天可以帮助稀有鸟类学会更好地生存。科学家们观察到，在大自然中，野生鸟类的鸣叫似乎面临着困境。如果在野外没有足够的榜样，那么雏鸟可能无法学会它们特有的叫声。这种情况可能已经发生在一些物种身上了，如王吸蜜鸟。这种濒危的鸟类由于缺乏成年同类的示范，看上去已经无法学会自身特有的叫声了，这将导致它们无法完成求偶过程。科学家们担心，如果没有指导，那么很多鸟儿可能将失去作为一个物种的独特鸣叫声。

为了避免这种情况出现，研究人员制造了能运用录音技术释放逼真的鸟鸣的机器鸟。他们还录下成年雄鸟的高速视频，然后对机器鸟进行编程以使它能模仿鸟儿鸣叫时鸟喙和头部的动作。最后，研究人员给机器鸟涂上了和真鸟外形一样的颜色，这样一来，酷似真鸟且能训练小鸟鸣叫的机器鸟“教练”便诞生了。

在训练过程中，雏鸟似乎能密切关注机器鸟的动作。当RoboFinch歌唱时，小鸟们通常会立即接近它。虽然并非所有的小鸟都能学会教授的曲调，但它们确实几乎立刻就对RoboFinch产生了兴趣。

2018年国际鸟盟的一份报告表明，全球每10种鸟类中就有4种正在减少。根据2019年《科学》杂志的一项研究，自1970年以来，仅北美就失去了近30亿只鸟。为此，科学家们正在寻找可以遏制全球鸟类数量下降的办法。一些科学家认为，研制仿生机器鸟可以成为其中的一项重要手段，因为用逼真的仿生机器鸟接近小鸟，不会对小鸟造成压力，因而更容易获得丰富且真实的科学数据。也许在未来，仿生机器鸟还可以被放到野外以帮助极度濒危的鸟类，雏鸟遗孤可以依附在机器鸟的身边，向机器鸟学习鸣叫和其他野外生存的本领。

小鸟“教练”RoboFinch（中间）正在教两只斑胸草雀练习鸣叫