兩棲微型無人機采用仿生設計

英國倫敦帝國理工學院的一個團隊正在研制一種類似海鳥的微型飛行器（AquaMAV）。它能夠飛向一片水域，然后俯沖入水，依靠自身動力在水下行駛，再飛出水面，恢復正常的機翼飛行。

AquaMAV的潛力已經得到了關注。該項目已經獲得了來自英國工程和物理科學研究理事會的資助，并在近期獲得了國防科技實驗室的資助。它的主要應用為環境采樣，但其包含的技術可以用于制造水下發射與回收的無人裝置，執行情報搜集工作。

負責研制項目的倫敦帝國理工學院的羅伯特？希達爾博士在博士階段研究中獲得了AquaMAV的設計靈感，表示這種機器人的功能源于它的機動性。他說：“目前有能在空中飛行的系統，也有能在水下航行的系統，但是少有二者兼顧的系統，我們希望它能在兩種介質中均能更好地自由出入。”

一些公司已經研制出了類似功能的四旋翼無人機，它們可以在空中自如飛行，然后降落在水面上，并借助壓載艙下潛，從而能夠在水面下行駛。但是，希達爾和他的團隊經過分析后認為，四旋翼無人機的推進系統是專為在空中使用而設計，因此限制了其水下行駛距離，降低了航行效率。而且，四旋翼無人機難以從波濤起伏的海域利用推進方式離開海面。

目前，AquaMAV采用的電池系統可以提供5km的飛行距離和14min的續航時間。基于更高效的外形設計和推進方式， AquaMAV能夠在水下行駛更遠，并且相比其他系統，可以在更復雜的海況下進入和離開水面。

為了能夠高速地進入水中而不損壞纖薄的機翼和控制裝置，AquaMAV需要實現輕量化與小型化。它的重量僅有200g，翼展長度為60cm。大部分的升力由AquaMAV的橢圓形機翼提供，飛行控制則由V型尾翼提供，并由雙副翼輔助實現滾轉、俯仰和偏航飛行。

AquaMAV在俯沖入水時，將主翼折疊90°，防止受到水面沖擊，類似于海鳥入水的姿態。飛離水面時，機翼會再次展開。

如何確保空中飛行時驅動AquaMAV的螺旋槳也能在水下提供推進力是項目最初的挑戰之一。旋轉得太快的螺旋槳在水中會發生氣穴，不能充分推動水流而效率低下，因此研究團隊研發了一種行星齒輪傳動系統，采用了一系列反向的單向軸承，使得齒輪在AquaMAV入水的瞬間嚙合。希達爾說，使用這樣的齒輪組將水下所需的功率降為原來的1/5，但將推力增加了兩倍。

為實現AquaMAV從水中出射，研究團隊研究了可以在海洋中“飛行”的烏賊，這種生物可以利用一股噴射水流將自己推向空中。AquaMAV在一定程度上仿效了這種能力，其空心的機身在最初下潛時充滿了水。

為了再次返回空中，AquaMAV采用了一種二氧化碳推進器，利用一種特殊設計的形狀記憶合金閥，控制二氧化碳氣體釋放，將機身中儲存的水排出。這種方式將無人機從水下推到水面上，同時迅速重新展開機翼。

目前，AquaMAV在每次飛行后必須重新填充二氧化碳，因此限制了每次飛行時只能實現一次水中出射。不過，研究團隊正在考慮通過化學反應（如乙炔爆炸）的方法補充二氧化碳，盡管這種方法引發潛在的監管問題，并且可能會意外污染正在收集的水樣。

迄今為止，AquaMAV的所有功能都已被單獨測試過。今年晚些時候，希達爾和他的團隊計劃完成一系列驗證飛行，讓AquaMAV無人機系統通過空中和水下運行的全包線測試。第一架原型機采用遙控方式，但接下來研制的原型機將配備荷蘭代爾夫特大學研制的具有更強自主能力的飛行控制系統。

（責任編輯：黃貞靜）