引言

? ? ? ?新版《沙丘》的上映引燃了科幻迷們對(duì)仿生撲翼飛行器的熱議?！渡城稹吩O(shè)定在遙遠(yuǎn)的未來，天賦異稟的少年保羅·厄崔迪被命運(yùn)指引，為了保衛(wèi)自己的家族和人民，決心前往浩瀚宇宙間最危險(xiǎn)的星球。片中最大的亮點(diǎn)應(yīng)該是一種長得像蜻蜓的撲翼機(jī)，八片葉子張開又收縮的樣子，完美貼合人們對(duì)于科幻的想象。電影中的這種蜻蜓式撲翼機(jī)，飛行時(shí)機(jī)翼展開后可像蜻蜓翅膀那樣進(jìn)行高頻振動(dòng)，以此產(chǎn)生動(dòng)力，也可收起機(jī)翼做自由落體式俯沖，重新打開的瞬間又能獲得動(dòng)力。該設(shè)定讓這種飛機(jī)擁有無與倫比的機(jī)動(dòng)性。

? ? ? ?那么我們不禁想問，不久的將來，人類可以制造出這種仿生撲翼飛行器嗎？要制造這類飛行器需要解決哪些關(guān)鍵技術(shù)問題呢？

? ? ?? 誠然，固定翼飛行器雖然滿足了人類高空飛行的夢(mèng)想，但其實(shí)人類一直沒有放棄對(duì)撲翼飛行器的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。500多年前，達(dá)芬奇就設(shè)計(jì)了一款人力撲翼裝置，達(dá)芬奇式撲翼飛行機(jī)器人圖紙是流傳至今的最早的相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，同時(shí)他還記錄了對(duì)鳥類各種運(yùn)動(dòng)的觀察以及給出了相應(yīng)的解釋。所以，可以說人們的飛天夢(mèng)想就是從模仿鳥類的撲翼機(jī)開始的。

? ? ? ?自上世紀(jì)90年代開始，由于各大國軍備競賽常態(tài)化，對(duì)于各類先進(jìn)無人機(jī)的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)入了高潮階段。自90年代美國DARPA首次提出“MAV”的概念以來，各大軍火公司及科研單位均開展了有關(guān)工作，依托長期以來的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及科研成果，日本、德國、美國等國家均取得了一定的研究進(jìn)展。

? ? ? ?那么關(guān)于撲翼飛行器，本期就讓我們先來摸一摸對(duì)岸鷹醬的羽毛下面，都有哪些寶貝。

什么是撲翼飛行器

? ? ? ?撲翼飛行器，顧名思義，就是能像鳥類或者昆蟲通過撲動(dòng)翅膀飛行的飛行器。它不同于固定翼或旋翼飛行器，固定翼飛行器通過機(jī)翼上下表面的壓力差提供升力，通過發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，旋翼飛行器通過螺旋槳與空氣的周期運(yùn)動(dòng)提供升力和推力，而撲翼飛行器則通過翅翼的下?lián)浜蜕咸岙a(chǎn)生斜上方的力來克服重力和阻力。它的主要特點(diǎn)是將升舉、懸停和推進(jìn)等功能集中于一對(duì)翅翼及其尾翼。

? ? ? ?由于撲翼飛行器的創(chuàng)新特點(diǎn)和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為了航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。相比于固定翼和旋翼飛行器，撲翼飛行器作為一種仿生飛行器，具有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

（1）迷惑性：撲翼飛行器的飛行動(dòng)作幾乎和鳥類一模一樣，在空中飛行時(shí)很難將區(qū)分鳥類和撲翼飛行器，涂裝羽毛顏色后更是栩栩如生。

（2）靜音：固定翼和旋翼飛行器通過噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳產(chǎn)生動(dòng)力，它們產(chǎn)生巨大的噪聲。撲翼飛行器不使用螺旋槳及發(fā)動(dòng)機(jī)，它通過無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使翅翼上下?lián)鋭?dòng)，使用舵機(jī)控制尾翼搖擺，幾乎不產(chǎn)生噪音。

（3）輕盈：撲翼飛行器的動(dòng)力單元少，一般包含1個(gè)小型無刷電機(jī)及2個(gè)微型舵機(jī)，機(jī)身骨架采用碳纖維材料，翼面采用滌綸材料，質(zhì)量較輕。

（4）效率高：撲翼飛行器可以借助氣流滑翔飛行，無需撲動(dòng)翅翼，可以減少能量消耗。理論研究也表明，撲翼飛行器的效率比常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)高，最高可達(dá)85%。

（5）適用于微型飛行器：空氣動(dòng)力學(xué)和仿生學(xué)研究表明，當(dāng)翼展小于15cm時(shí)，低雷諾系數(shù)的撲翼飛行器相比固定翼和旋翼飛行器更具有優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)起源

? ? ? ?微型撲翼飛行器（Flapping-wing Mav）作為一種以自然界中撲翼方式飛行的鳥類或昆蟲為模仿對(duì)象的新概念飛行器，以其相對(duì)于固定翼或旋翼飛行器特有的重量輕、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、飛行效率高、反偵查能力強(qiáng)等特點(diǎn)在軍民領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，因而成為新的研究熱點(diǎn)。微型撲翼飛行器的研制開始與上世紀(jì)90年代，得益于新型材料與能源技術(shù)、信息技術(shù)、微型機(jī)電技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，微型撲翼飛行器的發(fā)展也進(jìn)入了黃金時(shí)期。

? ? ? ?1998年，加利福尼亞工學(xué)院和Aero Vironment公司設(shè)計(jì)出第一架撲翼飛行器“MicroBat”。該系列到今天已經(jīng)發(fā)展到第四代，隨著鋰電池技術(shù)、MEMS 技術(shù)及新材料技術(shù)的發(fā)展，第四代飛行器的質(zhì)量僅為11g，續(xù)航時(shí)間可達(dá)380s，并且在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)直流電無線制遙控飛行。

? ? ? ?同一時(shí)期，美國加州大學(xué)伯克利分校從1998年開始研究一種仿昆蟲飛行的微型撲翼飛行器MFI（Micro mechanical Flying Insect）。MFI項(xiàng)目計(jì)劃通過模仿綠頭蒼蠅，制作一種能實(shí)現(xiàn)自主飛行和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的微型飛行昆蟲，飛行器目標(biāo)參數(shù)是翼展25mm，翅膀拍打頻率150Hz，質(zhì)量100mg，利用壓電陶瓷PZT驅(qū)動(dòng)，雙四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)翅膀上下拍動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，同時(shí)利用太陽能鋰電池提供能量，可實(shí)現(xiàn)短暫的無控制飛行。

新世紀(jì)的大發(fā)展

? ? ? ?如果說90年代的撲翼機(jī)技術(shù)只是華而不實(shí)的概念展示，那么步入21世紀(jì)之后，憑借材料科學(xué)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、動(dòng)力能源等配套產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步發(fā)展，微型撲翼飛行器在各項(xiàng)性能上都迎來了全面的進(jìn)化。

? ? ? ?2016年，哈佛大學(xué)披露了他們研制的世界上尺寸最小的撲翼飛行器“Microrobotic Fly”，只有1美分硬幣大小，質(zhì)量輕達(dá)80mg，特征尺寸只有30mm，依靠交流電供電，撲翼頻率為120Hz，與家中常見的果蠅相當(dāng)。能夠成功研制出如此小的飛行器，得益于新材料與先進(jìn)加工技術(shù)的發(fā)展，“Microrobotic Fly”的動(dòng)力源并非傳統(tǒng)的直流電機(jī)或直流馬達(dá)，而是一種壓電材料，因此才能在交流電的作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樯崛チ藗鹘y(tǒng)機(jī)械中的傳動(dòng)部分，因此具有非常高的能源效率，為了進(jìn)一步的減少質(zhì)量并保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，機(jī)架的材料采用的是特殊處理過的碳纖維板，經(jīng)過3D加工后，能夠直接折疊出機(jī)架的形狀。

? ? ? ?2017年前后，美國TechJect公司同樣研制出了性能卓越的仿生撲翼飛行器，獲得美國國防部1000萬資金的支持后，該公司研發(fā)出了仿蜻蜓撲翼飛行器“Robot Dragonfly”，在巨額資金及雄厚的技術(shù)積累的加持下，“Robot Dragonfly”的性能可謂十分優(yōu)越，特征尺寸15cm，載荷質(zhì)量僅6g，前后兩對(duì)仿生翅翼能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的飛行，具有較高的機(jī)動(dòng)性，改造速度可達(dá)10m/s；薄膜狀的仿生翅翼能夠有效地降低飛行時(shí)產(chǎn)生的噪音，便于執(zhí)行隱蔽任務(wù)，兩對(duì)翅翼之間具有相當(dāng)大的空間，可以配備各種特殊設(shè)備以滿足不同的任務(wù)需求。

? ? ? ?和美國人穿一條褲子的英國佬也沒閑著，2015年成立的英國仿生工程初創(chuàng)企業(yè)Animal Dynamics從蜻蜓的飛行方式上獲取了靈感，著手研發(fā)一款帶撲翼的微型飛行器Skeeter，同時(shí)獲得了英國國防部防御科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（DSTL）150萬英鎊的資金支持。Skeeter微型撲翼飛行器機(jī)身長度僅為12mm，包括攝像頭、導(dǎo)航部件等在內(nèi)，重量不足20g，最高飛行速度可達(dá)45km/h，受風(fēng)向、風(fēng)速等不同程度的影響，其續(xù)航時(shí)間大概在1小時(shí)以內(nèi)。此外，Skeeter能夠在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后自主滑翔并著陸，這一優(yōu)勢(shì)使得其動(dòng)力能得到大量的節(jié)省。

結(jié)語

? ? ? ?顯而易見的是，仿生撲翼飛行器在國防和民用領(lǐng)域都具有極為廣闊的應(yīng)用前景。但其設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素的影響，是一個(gè)多學(xué)科交叉融合的研究方向。在可預(yù)見的未來，老牌發(fā)達(dá)國家在仿生撲翼飛行器的諸多關(guān)鍵核心技術(shù)上還將會(huì)有進(jìn)一步優(yōu)化和提升，這不得不引起我們的重視與警覺。好在近十幾年內(nèi)，國內(nèi)各大高校及研究院所已經(jīng)開展了諸多研究項(xiàng)目，并積極布局相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，雖然在設(shè)計(jì)和制造方面都和國外頂尖水平尚存一定的差距，但在我們對(duì)后發(fā)致勝、技術(shù)趕超已經(jīng)見怪不怪的今天，西方在這小小撲翼飛行器上的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)又能保持到哪天呢？我們拭目以待。