观看“飞鱼”无人机在空中盘旋然后在水下游泳

在上周的一次会议上，一群工程师展示了一款令人着迷的新型无人机，它既能在空中飞行，也能在水下操作。虽然它只是一个原型，但研究人员必须解决一些有趣的问题，才能制造出一款可以工作的空中水下四轴飞行器。

来自中国大陆和香港七所大学和实验室的一大批研究人员为他们所称的“TJ-FlyingFish”做出了贡献。在伦敦举行的电气和电子工程师协会 (IEEE) 2023 年国际机器人与自动化会议 (ICRA) 上发表的论文中，他们描述了如何开发这款重达 3.6 磅的四轴飞行器。

根据研究报告，之前曾有过多旋翼空中-水下混合原型，但它们大多依赖于“具有防水性的标准空中硬件结构”。换句话说，大多数研究人员并没有创造一种真正能够在天空中飞行并在水下运行的无人机，而是设计了一些防水功能的空中无人机，以便机器在溅落时不会停止工作。

问题在于，虽然水和空气在技术上都是流体介质，但它们的性质却大不相同。不同的粘度和密度会影响推进系统的运行方式以及无人机的整体设计。要在空中运行，无人机需要能够克服重力。要在水下有效运行，无人机需要具有中性浮力，并能够产生足够的推力来克服水的阻力。

因此，在两种介质中实现有效推力的方式不同。推进力由螺旋桨移动的质量决定。要飞行，无人机需要高速螺旋桨以尽可能快的速度抛出大量轻质空气。但要在密度大得多的水中移动，无人机需要速度较慢的高扭矩螺旋桨。工程师们没有使用两组螺旋桨，而是设计了一个创新系统，使用一个电机和两个独立的变速箱：一个用于空中飞行，另一个用于水下移动。这样做的好处是可以保持较低的重量，尽管这会使系统本身变得复杂。

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无人机起飞时，其工作原理与普通四轴飞行器相同。螺旋桨将空气向下推，并为其提供足够的升力，使其飞行，并且它们能够独立倾斜和旋转，以便其能够机动和悬停。它的电池电量足以悬停六分钟。但当它降落在水中时，事情就变得有趣了。

无人机具有轻微的负浮力，因此当它接触到水时会慢慢开始下沉。然后，它在水下飞行的一种方式是整个无人机旋转，这样螺旋桨就会将它拉向侧面穿过水面。或者，无人机的机身可以保持直立，它可以通过以不同方式倾斜螺旋桨来操纵。倾斜螺旋桨和双变速箱启用的这两个系统使其能够在水下有效运行并在三维空间中操纵（就像在空中一样），而仅配备传统航空螺旋桨的防水无人机则无法做到这一点。

研究人员投入了大量精力来提高无人机在水下的效率，而不仅仅是设计一款防水四轴飞行器。因此，原型机的水下性能出奇地好。它可以在水下停留大约 40 分钟，最大潜水深度略低于 10 英尺。它的设计很轻，所以防水性能有所牺牲。未来的原型机可能会潜得更深。

最令人印象深刻的是，这款无人机还可以从水面起飞。通过浮出水面并旋转螺旋桨，它就能产生足够的升力，飞回天空。

尽管还只是原型机，但很难不去想象这种无人机的用途。研究人员建议将其用于遥感操作和灾难救援，但它也可用于进行民用和军用勘测，拍摄令人难以置信的视频片段，并为科幻小说作者提供灵感。它还可能催生防水无人机，从而为一些人节省大量资金。

下面来看看这款炫酷的空中水上无人机的实际运行情况。