【大多数动物，使用不同形式的运动方式在不同的环境中移动】
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大多数动物使用不同形式的运动在不同的环境中移动 。 这使他们能够适应寻找食物、逃避威胁或迁移 ， 同时最大限度地减少他们运动的能量成本 。 为此 ， 动物必须使用相同的运动模块来执行通常具有相反要求的专门任务 。 例如 ， 一种动物潜入水中打猎需要一个尽可能轻的结构以实现高效飞行 ， 同时在撞击水面时结构仍然坚固 。 生物系统的复杂性使得它们难以人工复制 ， 但在单个机器人系统中满足两种运动模式的需求已经完成 。
仿生机器人已经出现 ， 可以通过跳跃或步行在陆地上飞行和移动 。 其他机器人从自然界的两栖运动中获取线索 ， 可以在陆地和水中移动 。 这些系统展示了多模式机器人的可行性和有效性 ， 并且优于仅具有一种运动模式的机器人 。 这些车辆一起完成了在水上、陆地和空中的运动 ， 但没有一个机器人可以在空中和水中同时移动 ， 并在两者之间进行过渡 。
能够进行空中-水上运动的机器人可以在洪水或海啸后的救灾中发挥有效作用 ， 因为水和碎片的存在将严重限制传统车辆的运行 。 最近发生的事件突出了机器人系统在紧急情况下使用的潜力 ， 例如福岛核事故、对飓风威尔玛的响应和深水地平线爆炸 。 在这些情况下 ， 微型飞行器(MAV)可以快速飞向目标并返回航拍画面 ， 但无法着陆和保存电力 ， 或进入受淹建筑物等受限区域 。 另一方面 ， 纯水上机器人无法越过水中的障碍物 ， 也无法进行长距离快速飞行 。
拥有一个可以在空中旅行、在水下移动并返回飞行的机器人将大大提高搜索和救援能力 。 作为海洋学研究的样本收集或观测工具 ， 空中-水上航行器也具有巨大潜力 ， 在该领域 ， 空中发射的水下航行器已经受到追捧 。 研究已经证明了将空中和水上机器人操作相结合的有效性 ， 方法是将单独的系统协调为一个团队来监测珊瑚礁 ， 并使用微型飞行器的空中视频片段来指导和加强水上交通工具的近距离观察 。
墨菲等人还发现 ， 使用微型飞行器提供了与地面车辆更有效的通信中继 。 据作者所知 ， 目前还没有能够在空中和水下移动的车辆 。 因此 ， 本文的目的是为设计人员提供一个严格的检查 ， 包括用于实现空中-水上运动的生物装置 ， 以及与开发空中-水上交通工具相关的技术样本 。 研究人员提出了一种生物启发的实施策略 ， 用于开发高效的空中-水上交通工具 。 飞行和游泳之间的转换提出了几个关键的设计挑战 。
为了分析它们 ， 在不同任务阶段的背景下检查机器人的任务是有帮助的：首先机器人必须执行高效飞行 ， 然后在到达目标时必须从空中过渡到水中 。 过渡后 ， 它必须在水面下移动一段时间以进行水采样和录像 ， 然后才能从水中过渡回飞行 。 飞行中的关键挑战是最小化功率要求 。 这是通过最大化车辆的空气动力学效率来实现的 ， 这在小规模上变得更加困难 。 微型飞行器通常在104-105的雷诺数范围内运行 ， 在这些低飞行雷诺数下 ， 由于粘性效应的增加 ， 飞行的空气动力效率会降低 ， 并且空气扰动将对飞行器产生更显着的影响 。
此外 ， 飞行的设计限制必须与游泳的需要同时满足 。 这些额外的限制来自对双推进模式、更坚固的上层建筑和防水设计的需求 ， 所有这些都增加了飞行质量 。 选择材料以增加机翼结构的灵活性也为低雷诺数车辆提供了许多增强功能 ， 从通过允许被动和主动调整机翼形态来增加空气动力学 ， 到通过提高耐用性来增加结构 。
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