科學家在德國開發並測試了一款不需像傳統多旋翼無人機那樣對抗重力的無人機，該無人機的能量消耗僅為其一小部分。研究人員稱這款新型高效空中機器人為 Floaty。這款變形飛行機器人由位於圖賓根的馬克斯·普朗克智能系統研究所（MPI-IS）及斯圖加特大學的科學家共同創造。這款機器人的基本原理雖然簡單，但在技術上卻具挑戰性：Floaty 不依賴螺旋槳來推動自己穿越空氣，而是利用上升氣流——即上升的氣柱，通過即時變形來控制其位置和姿態。
它的上表面配備了四個獨立可動的襟翼，通過旋轉這些襟翼，機器人不斷改變空氣在其機身周圍的流動方式，調整阻力以實現轉向、平衡和懸浮，而無需任何產生推力的馬達。
Floaty 的設計旨在填補無人機技術中長久以來存在的空白。多旋翼無人機——如四旋翼及其變體——雖然靈活且可以無限懸浮，但因為用旋轉的螺旋槳產生升力的能量消耗過高，導致電池快速耗盡。相比之下，固定翼飛機在向前飛行時效率更高，但無法懸浮，且需要跑道或彈射器來運行。早於工程師嘗試解決此問題之前，鳥類已經找到了解決方案。猛禽類如雀鷹能通過讀取氣流並相應地調整其翅膀幾何形狀來在空中靜止懸浮，而不需要消耗螺旋槳無人機所需的能量。
馬克斯·普朗克智能系統研究所的學博士生 Ghadeer Elmkaiel 表示：「Floaty 展示了機器人可以像鳥類一樣智能地利用風，節省大量能量，同時保持可控性。」
Floaty 透過上升氣流實現高效飛行
在早期的風洞測試中，Floaty 原始的平面設計導致其側翻而無法自我修正。研究人員進行了兩項變更以解決此問題。首先，他們降低了機器人的重心，以產生自然的糾正力矩，這一原理與擺體保持直立的原理相同。其次，他們通過添加精確調校的彎曲來重新設計了剛性襟翼，這改善了機器人的被動氣動穩定性。隨著這些變更的實施，Floaty 在垂直氣流中變得自然穩定，並能在無需任何主動輸入的情況下修正其姿態。
控制系統基於實驗學習的氣動模型建立，處理懸浮、機動和從故意的物理推動及突然的氣流中恢復的主動部分。在風速達到每秒 10 米（每小時 22 英里）的測試中，Floaty 能夠維持可控的懸浮並從擾動中恢復。
該系統的特定功耗約為 10 W/kg，這大約是等效推進系統的十倍低。學習與動態系統小組負責人 Michael Mühlebach 及論文共同作者，概述了幾種可靠存在上升氣流的實際應用場景。工廠煙囱產生強勁且穩定的上升氣流，Floaty 可以利用這一點來檢查內部，這對於傳統無人機設計而言是一項危險且困難的任務。類似的物理原理適用於氣象氣球引導，更具推測性的是用於火箭重返控制，因為穿越大氣的下降過程會產生氣動條件，這些條件可以被形狀調整表面用於控制穩定。
Elmkaiel 表示，最終目標是開啟更高效和可持續的飛行機器人新途徑，將風視為主要的能源來源，而非障礙。
項目 規格 功耗 10 W/kg 測試風速 每秒 10 米
