人造昆蟲——微型飛行器

沈海軍 王旭

從飛機誕生至今的百余年航空發展歷史中，飛機的尺寸不斷刷新記錄，分別向著更大或更小兩個方向發展。目前，人類設計并成功飛行的飛機中，個頭最大的當屬蘇聯的“安225”?！鞍?25”翼展約88米，機長84米，是名副其實的空中“巨無霸”，它不僅是體積最大的飛機，而且也是載重量最大的飛機。至于說世界上個頭最小的、可飛行的飛機，只有1枚硬幣那么大，如美國哈佛大學的撲翼微型飛行器——“機器蜂”、我國同濟大學的昆蟲動力飛機，其重量均僅為數百微克。

“帶著刺的飛蟲”

若要追溯微型飛行器的由來，時間應回到1992年。那一年，美國剛剛漂亮地取得了第一次海灣戰爭的勝利。美國國防部隨即召開了題為“未來科技驅動的軍事變革”的研討會。該研討會旨在總結海灣戰爭中高新技術所起的關鍵作用，并為美軍提供一些未來作戰的新型技術構想。其中的兩種新技術即是微型飛行器的原始構想，這兩種飛行器分別被命名為“墻上的飛蟲”及“帶著刺的飛蟲”。前者指攜帶多種傳感器并能實現特殊環境偵查的類飛蟲機器人，后者則指具備癱瘓敵方系統能力的類飛蟲機器人。1997年，美國國防部制訂了一個為期4年、耗資3500萬美元的微小型飛行器研究與驗證計劃，即“國防先進研究項目”（英文縮寫為DARPA）。DARPA的研究范圍涉及飛行器及其主要子系統，如推進系統、飛行控制/引導系統、傳感器等相關技術。

起初，美國科學家們設想，隨著技術的不斷發展，可能將這些飛行機器做到1厘米大小并有約1克的有效載荷；然而，經可行性分析后，科學家們認為，15厘米最大尺寸、小于90克總重、最大有效載荷18克的飛行器比較適合目前的科技水平。于是，15厘米成為判別微型飛行器的一把標尺，“尺寸為15 厘米大小并能靠其自身能力飛行和完成各種探測任務的飛行器”隨之成為業內普遍接受的微型飛行器的定義。

與常規無人飛行器相比，微型飛行器具有體積小、重量輕、成本低的優勢，它們操縱方便、機動靈活、噪音小、隱蔽性好，具有很高的軍事和民用應用價值。因此，微型飛行器得到了不少國家的極大關注，很快成為國際上新的研究熱點。

固定翼 撲翼 旋翼

當鳥兒從空中飛過，稍加留意的話，你會發現它們有兩種基本的飛行方式：拍打著翅膀飛或者滑翔，也就是所謂的撲翼飛行模式和固定翼飛行模式。在110年的航空歷史長河中，人們對撲翼飛行器和固定翼飛機均進行了大量的嘗試和研發實踐工作。然而，沿著固定翼飛機這條發展道路，似乎走得更為順利，取得的成果也更為輝煌。

鑒于固定翼在常規飛機上的良好表現，早期的幾款微型飛行器均采用固定翼模式。其中最高水平的代表是美國的“黑寡婦”和“微星”?！昂诠褘D”是美國于1998年研制的一種固定翼微型飛行器。該飛行器外型類似于盤狀飛碟。最大直徑15厘米， 由微電機驅動前置螺旋槳產生拉力，采用鋰電池提供能源，微型飛控系統由計算機、無線接收器和3個微型舵機組成。該飛機經試飛，其留空時間為16分鐘，最大飛行速度70千米/小時?！拔⑿恰睅缀鹾汀昂诠褘D”同時研發成功，該固定翼微型飛行器來自于美國洛克希德·馬丁公司，設計總重僅為85 克，留空時間20分鐘，未來將具備GPS 導航定位系統和攝像功能，設計者希望將其打造為戰場上前所未有的高效偵察工具。

近年來，在DARPA的資助下，微型撲翼飛行器的研究也取得了一定成果。較典型的微型撲翼飛行器是美國加州技術學院研制的“微型蝙蝠”和斯坦福研究中心研制的“領路人”。“微型蝙蝠”是最早的微型電動撲翼飛行器之一。其機翼采用微型機電系統技術加工制作而成。通過重量輕、摩擦低的傳動機構將微電機的轉動變為機翼的撲動。該飛行器現在已經發展了4種不同的原理樣機。目前飛行性能最好的是第四代樣機。該機以鋰離子電池為動力，重11.5克，最大尺寸20.3厘米，飛行方式為無線電遙控飛行，最大續航時間為6分17秒?！邦I路人”微型撲翼飛行器重50克，有4片機翼，以電致伸縮聚合體人造肌肉為動力。

除了固定翼和撲翼模式外，旋翼也是微型飛行器的重要發展方向之一。微型旋翼飛行器與微型固定翼飛行器相比，其最大優點是：能夠垂直起降和懸停，適宜在比較狹小的空間或復雜的地形環境中使用。微型旋翼飛行器的典型代表是洛克尼克公司研制的“科里布里”（Kolibri）和斯坦福大學研制的“麥斯考普特”（Mesicopter）?！翱评锊祭铩蔽⑿托盹w行器的基本尺寸為10厘米，重316克，采用重37克的微型柴油發動機為動力，燃油重132克。這種飛行器上部裝旋翼，下部裝照相機，采用GPS自動駕駛，可以垂直起降和旋停，留空時間至少30分鐘，可攜帶大約100克的設備?！胞溗箍计仗亍蔽⑿托盹w行器是一個厘米級大小的飛行器，其機身為16×16平方厘米的方形框架，有4個螺旋槳，螺旋槳直徑為15毫米，厚度僅為0.08毫米，每個螺旋槳由直徑為3毫米、重325毫克的微型電機驅動。

三大瓶頸

從微型飛行器的研究現狀來看，盡管已經取得了相當不錯的技術成果，積累了一定的經驗，但是，微型飛行器仍處于試驗階段，離實用化還有相當大的差距，許多技術難題成為阻礙其發展的瓶頸。

首先是所謂的低雷諾數問題。雷諾數是一個用來描述流體中物體慣性力與黏性力之間比值的參量。一般來說，雷諾數越小，表明物體的相對黏性阻力越大。常規飛行器的雷諾數大致為100萬到數百萬，空氣的黏性效應可以忽略。微型飛行器的雷諾數約為幾千，空氣黏性阻力相對較大。目前，微型飛行器在低雷諾數下的空氣動力學問題還處在試驗階段，沒有具體的理論和經驗公式可遵循。常規飛行器設計中所采用的許多成熟技術，如氣動計算方法軟件系統、風洞實驗技術并不適合微型飛行器，必須發展新的理論和實驗技術。

第二是微型動力系統。鋰電池電動機、微型渦輪發動機以及太陽能等，是微型飛行器可選用的幾種重要動力源。鋰電池是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源。最近的報道顯示，利用特殊的技術工藝，最小鋰電池的尺寸已經逼近黃豆大小。美國麻省理工學院正在研制一種紐扣大小的微型渦輪發動機。該發動機采用微機電系統技術加工制作，工作原理與常規渦輪發動機相似，使用氫為燃料，直徑1毫米，厚度3毫米，轉速每分鐘可達240萬轉，重量僅1克，推力為0.05～0.1牛頓，輸出功率將達到10～30瓦。此外，往復化學肌肉、電致伸縮人造肌肉、彈性動力和熱電動力太陽能等新技術，目前也在研究中。

最后是飛行控制。在常規的飛行器中，依靠副翼、升降舵和方向舵來控制飛機滾轉、俯仰和偏航的三軸飛控系統已趨于完善。而對于微型飛行器而言，小尺寸、低雷諾效應使得飛機的控制面效率變得極為低下，常規的飛行控制方式遇到困難。一個解決途徑是發展基于微機電系統的新型控制方式。目前比較有前途的是在微型飛行器的表面分布微氣囊和微型智能自適應機構，通過微流動控制實現對微型飛行器的飛行控制。

模仿與控制

昆蟲飛行時，更多的時間是拍打著翅膀。微型飛行器要做得很小，譬如像小飛蟲大小，人類就必須要向它們“取經”，學習它們的本領。人們發現，昆蟲通過連續撲打其膜翅，能夠讓自身靈活高效飛行，不僅如此，昆蟲還能在空中懸停甚至穿梭。這些都是自然界長期進化后選擇的最佳飛行方式。這種飛行方式兼具固定翼飛行及旋翼飛行的優點，把低雷諾數下的空氣動力學原理利用得淋漓盡致。科學家們由此逐漸發現了撲翼式微型飛行器的前景，于是大量專家紛紛投入到這一研究領域。近來，由荷蘭代爾夫特大學研制的、由電機驅動的撲翼微型飛行器“代爾夫飛蟲”（Delfly Micro）據稱是目前攜帶了傳感器和攝像頭的最小撲翼機，它的最大展長只有10厘米，質量僅為3.07克。

要將飛行器做成昆蟲般大小，另一個棘手的問題就是動力源要極小且極輕，現有技術很難將動力源做到更小而仍能提供足夠的動力。針對微型撲翼飛行器上下撲打機翼的特點，一些科學家專門設計了一種叫“往復化學肌肉”的能量源，其通過對化學能的控制，可以模擬肌肉的伸縮運動，從而帶動機翼上下往復運動，這種先進的動力源不需要額外的電能及氧氣。美國喬治亞理工學院的科學家運用這種動力源研制了一款叫作“昆蟲機”（Entomopter）的微型飛行器，它具有15～18厘米的展長，可攜帶10克左右的有效載荷。得益于其無需電能及氧氣的動力源，美國宇航局的科學家正準備利用“昆蟲機”這一平臺研發可在火星飛行的微型飛行器。

最近，由哈佛大學的科研人員歷時12年研制成功了世界上最小、最輕且可按預設路徑飛行的微型撲翼飛行器“機器蜂”。這是一架將尺寸做到了極致的微型撲翼飛行器，只有指甲蓋大小，重僅0.1克。它融入了當今的諸多先進成果。然而從客觀上講，它還遠沒達到完成不同偵測任務的能力。雖然如此，這已經是人類在模仿大自然道路上的巨大跨越了。

正當人們千方百計模仿大自然的奇妙創造時，另一些人正忙著做一些更加難以置信的事情——控制昆蟲。道理很簡單，既然人類興師動眾地模仿大自然，還不如直接利用已經由大自然“雕琢”了數億年之久的“成品”昆蟲。這一設想正在被一些科學家付諸實踐。

昆蟲雖小，但它們為適應生存環境已經進化出了一套精密而復雜的生命系統。人們設想，可以在它們的觸角附近安裝微型刺激裝置，在它們的中樞神經系統內部或神經肌肉連接處植入電極，從而控制昆蟲的行動方向。最近，同濟大學的研究人員將小型電極插入蟬的足肌肉，并利用小型紅外接收機控制這些電極，從而實現了對蟬行動方向的遠程控制。美國密歇根大學的科學家更是提出，利用壓電材料來收集由于昆蟲上下撲動翅膀而產生的能量，并用這些能量為植入昆蟲的微型控制系統及通訊裝置提供能源。

為了實現對昆蟲真正意義上的控制，科學家要做的是將控制、通訊及供電裝置縮小到足以植入昆蟲體內而不引起昆蟲的反感。而這些需要解決的問題似乎又回到了微型飛行器發展所面臨的挑戰的原點，即微型化。這給人們一個重要的啟示，也就是，無論微型飛行器的發展方向是人造昆蟲，還是真正的昆蟲，都必須首先將那些人造部件縮小到極致。