形態仿生飛行器研制進展及關鍵技術

沈海軍，余翼

（同濟大學航空航天與力學學院，上海200093）

0 引 言

億萬年來，通過不斷的自然選擇，自然界生物具備了很多優秀的特性和能力。例如鳥類可以在天空中自由地翱翔，通過翅膀可以精準地控制飛行姿態；飛魚能夠從水下躍出水面，在空中滑翔以躲避天敵等。這些優秀的能力對于人類發明創造具有很高的參考價值。20世紀60年代，美國科學家J.E.Stelle［1］首次提出了仿生學（Bionics）的概念。仿生學是一門致力于從自然生物系統中發現優良的設計、將生物學和科學技術結合在一起的學科。將仿生學應用于飛行器設計上，其主要原理、結構和外形效仿自然界生物的結構，被稱作仿生飛行器。通過運用仿生學原理，飛行器能夠獲得更好的飛行性能，同時自身結構設計得到優化。

仿生飛行器在研制過程中運用到的思路有形態仿生、結構仿生、功能仿生、肌理仿生等［2］。其中形態仿生指從外在形態上對自然界生物進行模仿，以獲得良好的氣動性能和飛行效率。例如盧吉·科拉尼提出了“流線型概念”［3］，為汽車設計、飛行器設計等領域的減阻和降低能耗作出了突出貢獻。結構仿生指從內部結構上參考自然界生物，從而獲得更好的運動控制能力、具備更好的機動性等。例如設計仿鳥類撲翼飛行器時，對鳥類翅膀上的骨骼和肌肉展開分析并加以模仿，從而得到更貼近鳥類翅膀的撲翼結構［4］。功能仿生指以自然界中生物的一些特殊功能為靈感，將實現這些功能的原理利用到設計的產品中。例如鸮在捕獵過程中飛行噪聲非常低，分析這種現象的原理，有助于人們在飛行器降噪、風機葉片與機翼的氣動和聲學特征的改善等領域有所啟發［5-6］。肌理仿生是對生物表面的微觀肌理進行研究，從而增強飛行器氣動性能，側重于對表面材料的仿生學探究。例如鯊魚表皮上覆蓋了一層齒狀盾鱗，呈溝槽狀非光滑表面，可以減小阻力。運-7飛機表層運用了類似的“粗糙”肌理，將阻力減小了5%～8%［7］。

在諸多仿生飛行器研制思路中，形態仿生是最常見的仿生設計形式之一［8］。形態仿生應用在飛行器設計中的主要目的，是通過對飛行器外形的仿生設計，讓飛行器本身具備更好的氣動性能。在飛行器設計中，氣動設計是非常基礎和重要的一環，直接影響飛行性能和飛行品質［9］。在飛行器氣動外形設計中，主要需要考慮的參數包括升力系數、阻力系數、力矩系數和表面壓力分布差等。通過形態仿生技術的運用，飛行器設計人員能夠獲得大量設計的參照樣板，在設計的過程中靈活地借鑒和吸納，能夠降低設計人員的工作量，提高飛行器設計的效率。需要注意的是，在完成設計后，需要對形態仿生飛行器的性能進行校核和驗證。一般可以利用實際飛行試驗數據或風洞試驗、計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）仿真試驗辨識飛行器氣動參數，驗證形態仿生設計的先進性和有效性。

本文列舉多種現有形態仿生飛行器，介紹常見的形態仿生飛行器的研制思路，基于形態仿生和飛行器設計的角度，探討形態仿生飛行器的研制進展和所應用的關鍵技術，并對未來形態仿生飛行器發展方向進行了展望與討論，為今后同類型飛行器的開發提供參考。

1 形態仿生飛行器研制進展

形態仿生飛行器的研制靈感來自于自然界中生物的優良特性。對于形態仿生設計的過程，R.Neurohr等［10］提出了自上而下和自下而上兩種思路，如圖1所示，其中“上”代表設計研發層面，“下”代表自然界生物層面。自上而下的思路是先從設計研發中所遇到的具體問題出發，到自然界生物中尋找優良的特征并加以引用。自下而上的思路是先從已知的自然界生物優良特征出發，在技術層面對其原理進行分析并運用到設計研發中。

圖1 形態仿生兩種設計思路Fig.1 Two design ideas of morphological bionics

根據所仿生物種的類別來劃分，形態仿生飛行器的種類一般包括仿鳥飛行器、仿魚飛行器和其他仿生飛行器。本節依據仿生的對象物種類別，介紹當前形態仿生飛行器的研制進展。

1.1 仿鳥飛行器

鳥類具有優異的氣動性能，能夠在天空中靈活地飛翔，這是人類對鳥類最直觀的印象。因此鳥類也成為了形態仿生飛行器最受歡迎的模仿對象之一，這類基于鳥類展開形態仿生設計的飛行器被稱作仿鳥飛行器。目前仿鳥飛行器主要研究方向為撲翼式飛行器的研制，通過翅膀的撲動來獲取升力和靈活的機動能力。而撲翼機的研制重點主要是對撲翼過程中非定常氣動理論研究和對撲翼驅動機構的研究。

相較于傳統飛行器的固定翼結構，仿鳥撲翼飛行器在機翼撲動過程中，其周圍為非定常流場，因此傳統飛行器的一些理論方法無法直接運用到撲翼飛行器上。為了解決撲翼飛行器氣動理論研究相關問題，1973年，T.Weis-Fogh［11］提出了撲翼過程中產生高升力的Clap and Fling機制，該理論研究了撲翼撲動過程中兩翅中間形成低壓腔，將周圍空氣吸入并在翼尖形成漩渦，這些漩渦能夠提供向上的升力，為后續仿生撲翼飛行的理論研究提供了有力支撐；1997年，C.P.Ellington［12］發現了撲翼過程中的“延遲失速效應”，即撲翼撲動過程中前緣渦緊貼翅膀表面產生升力，并隨著迎角的增大保持緊貼從而延緩失速的發生；2003年，曾銳等［13］使用非定常渦格法對綠頭鴨飛行過程開展分析，得到的結果與鳥類實際飛行狀態趨向一致；2014年，付鵬等［14］以斯特勞哈爾數為撲翼非定程度的度量標準開展風洞實驗，分析了斯特勞哈爾數對撲翼氣動特性的影響，得到了撲翼效率較高的斯特勞哈爾數取值范圍；2016年，張紅梅等［15］運用數值模擬方法研究了微型撲翼采用仿生“0”字形和“8”字形運動時的氣動特性；2019年，蔣進等［16］針對高頻撲動微撲翼飛行器開展了多目標優化設計，建立了撲動過程中機翼運動情況和受力情況的數學模型，利用NSGA-Ⅱ算法優化后的模型能夠顯著降低力的峰值和載荷。

與此同時，對于撲翼驅動機構研究也是仿生撲翼飛行器的熱門研究方向。傳統撲翼驅動機構中較為常見的為純機械式撲翼結構，主要可以分為基于直流電機的驅動結構、基于電磁鐵的驅動結構和靜電撲翼驅動結構三大類，目前應用最為廣泛的是基于直流電機驅動的雙曲柄雙搖桿機構（國外也稱前置單曲柄機構）［17］。近年來曲柄滑塊式撲翼機構、平面連桿式撲翼機構、空間連桿機構、凸輪機構等類別的撲翼機構也逐漸受到人們的關注。此外，一些新型材料也在驅動機構上得到了應用，例如壓電撲翼機構、人工肌肉撲翼驅動結構、柔性驅動機構等，均能不同程度地提高撲翼飛行器的飛行效率。

自古以來，人們對能夠在天空中自由飛翔的鳥類充滿了美好向往。宋朝張騭的《太平御覽·文士傳》中就提到了張衡設計制造的一款木鳥，依靠其腹部特殊的控制機構，可滑翔數里（1里=500 m）遠［18］；公元15世紀，意大利著名設計家和畫家達·芬奇通過近20年時間對鳥類的觀察分析，設計了由人力驅動的仿鳥撲翼飛行器的手稿［19］；1929年，A.M.Lippich［20］設計出了一款人力驅動的仿鳥飛行器，其機翼模仿鳥的翅膀設計，翼展達9 m，每個翅膀的質量4.5 kg，依靠人力揮動來維持滑翔，最遠可以滑翔300 m，持續飛翔的性能較弱。由于技術的限制，到20世紀中期以前，仿鳥飛行器更類似與一種滑翔機，效率與鳥類相比相對低下。

現代仿鳥飛行器從20世紀90年代開始逐漸發展，其驅動方式也主要轉變為引擎或者電機驅動。1993年，加拿大研究者J.D.DeLaurier等［21］針對撲翼建立了動力學模型并加以演算和實踐，首次研制出引擎驅動的仿鳥撲翼飛行器，它由一個燃燒甲醇的引擎驅動，最大功率可達1 hp（1 hp=0.735 k W），起飛質量為3.962 kg，翅膀撲動頻率為3～5 Hz時，最快飛行速度可達15.24 m/s。之后各國開始注重提高仿生飛行器的空中飛行效率。2005年美國特拉華大學M.McDonald［22］研制了名為“Sparrow”的撲翼飛行器，其外形模仿小型鳥類的外形，通過扇動翅膀達到向前飛行的目的，其翼展約為15 cm，持續飛行時間為1 min；在此基礎上，特拉華大學的S.H.Mcintosh等［23］研制了MHP（Mechanical Hummingbird Project）系列撲翼飛行器，總共有三款型號MHP1、MHP2和MHP3，將蜂鳥的形狀抽象出來并加以放大，以獲得更好的氣動性能，其翼展達到了48 cm，質量只有50 g，翅膀不僅可以上下撲動，還可以改變俯仰角度，飛行靈活性得到了提升。

為了提高仿鳥飛行器的飛行能力，令其更接近所模仿的鳥類，人們在飛行器的形態和結構設計上開展了深入的研究。2012年德國FESTO公司以海鷗為原型，研制出仿鳥撲翼飛行器“Smartbird”［24］，它的出現將仿鳥飛行器的研制提升到了一個新的高度，其翼展達到2 m，全身采用碳纖維材料骨架制成，質量只有450 g，在表面加上白色蒙皮以后，形態與海鷗極為相似，在天空中飛翔的時候甚至引來一群真鳥伴飛；同年美國Aero Vironment公司研發出了“蜂鳥”超微型飛行器［25］，其翼展為16 cm，質量為10 g，飛行速度最快可達到10 m/s，續航時間可達8 min，“蜂鳥”仿生飛行器模仿蜂鳥的外形和翅膀扇動方式，在飛行過程中的能量轉換、氣動性能和續航能力方面有了極大的突破；2018年，R.Yudhono等［26］依照一種名叫Accipter Nisus的歐洲雀鷹設計了一款仿鳥無人機，其翼展為74 cm，總質量0.6 kg，該研究者從歐洲雀鷹正常飛行時的正下方拍攝照片，通過該照片獲得了輪廓邊緣，依據此邊緣設計了飛行器的機翼和尾翼的輪廓，并在其基礎上加以優化，確定了合適的翼型截面，最終獲得了良好的三維氣動外形；2019年，Zhang Tao［27］按照悉尼銀鷗的外形，設計了一款混合驅動的仿生無人機，翼展為1 m，總質量0.65 kg，其既可以像普通撲翼飛行器那樣，通過撲動翅膀來飛行，又可以通過安裝在腹部的四個可伸縮旋翼的運轉來懸停在空中，機首處還安裝了一套可伸縮螺旋槳系統，進一步拓展了驅動的方式，對仿鳥飛行器的設計提供了一種新的思路。

國內在仿鳥飛行器領域的研究也有較大突破。2019年，南京航空航天大學的王鵬程［28］設計了兩種撲翼類型的仿鳥飛行器，其質量約為360 g，飛行速度約為3 m/s，續航時間為8 min，實現了機翼在上行程過程折疊以減小阻力，下行程過程展開以增大氣動升力的效果，并基于葉素理論方法構造了適用于低頻撲翼運動的氣動模型，能夠直接通過撲動頻率、撲動幅度和迎角等參數計算得到升力、阻力和推力，與實驗結果較為符合；胡超等［29］、張后偉等［30］以鳥類作為仿生對象開展仿生飛行器的研究，取得了一定進展。以上仿鳥飛行器樣機參數及研制思路如表1所示。

表1 仿鳥飛行器樣機研究匯總T able 1 Research Summary of bird-like bionic aircraft

1.2 仿魚飛行器

魚類能夠在水中快速地游動，其身體的外形也同樣具有相當優良的流體力學性能。這種優良的外形不僅在水中能夠降低它所受到的阻力，將其運用到飛行器外形設計上，同樣也可以起到減阻的作用。并且以飛魚為仿生對象而研制的飛行器，具備開發出跨介質飛行的潛在能力，成為此類仿生飛行器的一大亮點。在仿魚飛行器設計中，對飛魚的仿生設計備受關注。飛魚是一種能在海面上連續滑翔的魚類，它雖然沒有鳥類那樣靈活有力的翅膀，但是躍出水面“飛行”起來毫不遜色，較強壯的飛魚一次可以滑翔180 m，連續滑翔的時間可達43 s，滑翔的距離可以遠至400 m［31］，堪稱大自然的奇觀。

早期關于飛魚的研究主要來自于生物學家實地觀測。例如借助頻閃攝影技術可以測得飛魚以接近10 m/s速度快速游到海面附近，胸鰭聚合緊貼身體，以與水面呈30°左右的姿態沖出水面，展開胸鰭開始在水面滑翔，尾鰭仍在水下快速拍打，直至脫離水面自由飛行［31］；針對跨介質飛行的過程，Xia Dan等［32］開發出一款機器魚，并對其跳出水面的過程進行了CFD數值仿真研究，通過求解機器魚躍出水面的三維動態過程，得到了機器魚運動學和動力學參數隨時間變化的函數關系，并發現提高尾部擺動頻率能增加其跳躍高度；H.Park等［33］利用風洞測量出了一種黑翼飛魚的空氣動力學參數，使用聚氨酯泡沫注入真實飛魚中用以維持身體形狀，并將鰭完全展開固定，測得了真實飛魚的氣動參數；F.E.Fish［34］針對33種199只飛魚樣本，開展了基于形態學的空氣動力學研究，系統地探究了飛魚的翼面積、翼展、翼載荷、長寬比與其體型大小之間的關系，并基于飛魚胸鰭和腹鰭的形狀和位置開展了機翼設計，最后將設計出的機翼的飛行性能與其他滑翔機和撲翼機作對比，得出了在高速飛行條件下，基于飛魚形態設計的機翼具有較高升阻比，空氣動力學表現與鳥類滑翔時相類似的結論，為后續基于飛魚的仿生設計提供了理論和數據支撐。

基于飛魚的特性，人們也設計出了許多實驗樣機。2015年，來自富蘭克林·W·奧林學院的研究組設計了以飛魚為原型的仿生飛行器［35］，它由尾部推進驅動，通過胸鰭的微小位移來控制飛行的姿態。其外形數據取自于自然界飛魚真實形態，其框架和支撐件由鋁制切片制成，胸鰭和尾鰭由彈簧鋼片制成。雖然并沒有給出該仿生飛行器的實驗數據，但是依據公開的資料，他們首次提出了以飛魚為原型來設計仿生飛行器。

2011年，麻省理工學院的A.Gao等［36］研制出一款仿生飛魚兩棲飛行器，這是第一款有實驗數據支撐的仿生飛魚飛行器，既可以在水下游動，又可以跨越水面沖入空中滑翔。它的翼展達0.324 m，身長0.25 m，質量約為145 g，其密度與水接近，因此在水中游動時幾乎可懸浮在水里。通過對真飛魚的形態模仿，其成功克服推進功率不足的限制，最快以5 m/s的速度沖出水面，完成跨介質的飛行。

2013年，斯坦福大學（BDML）實驗室的A.L.Desbiens等［37-38］發布了一款按照飛魚為模板設計的無人機，其翼展70 cm，身長30 cm，重約30 g，可以通過一個壓緊的彈簧彈射起飛，在距離地面1 m高處可以獲得4 m/s的水平速度，最遠可滑翔5 m，其滑翔性能在同時期不依靠動力維持推進的仿飛魚飛行器中是最好的［37］。

2020年，浙江大學鄧見等［39］依照飛魚的氣動外形，設計了一款仿生飛魚跨水氣介質的無人平臺，其機身長25 cm，翼展0.47 m，排水量0.191 kg。通過流體力學的方法，探究了在水下潛行、水面滑跑和加速起飛整個過程的動力學特性，驗證了當輸入功率為350 W時，起飛速度可以達到16.5 m/s，以及該氣動形態的仿生飛魚飛行器依靠尾鰭擺動助跑起飛的可行性。

除了以飛魚為仿生飛行器設計的原型之外，研究者對其他種類的魚也開展了仿生學設計。例如瑞士洛桑聯邦理工學院Smartfish團隊以金槍魚為原型設計的仿金槍魚概念飛機Tuna Shaped Aircraft［40］，其翼展為4.5 m，起飛質量為1 000 kg；國內姜琬等［41］依據旗魚外形設計了仿旗魚傾轉旋翼飛行器，依據飛魚外形設計了仿飛魚可旋轉組合式機翼飛行器等。上述研究仍處于概念設計階段，未深入探究其氣動性能和飛行能力，未來仍有待進一步開展研究。仿魚飛行器樣機設計參數及研制思路如表2所示。

表2 仿魚飛行器樣機研究匯總Table 2 Research summary of fish-like bionic aircraft

1.3 其他仿生飛行器

在自然界中，除了鳥類和魚類有著良好的氣動性能之外，億萬生物中仍然有很多種類在經歷了漫長的自然選擇后，進化出了優良的氣動外形，值得人們開展仿生學研究。這些物種包括種類繁多的昆蟲、蝙蝠、水母等，其中最受人們關注的是基于昆蟲的仿生飛行器設計。昆蟲中有許多種類能夠靈活地在空中飛行，它們往往具有較小的體型，卻在微小尺度上具備優異的氣動特性，為飛行器的仿生設計提供了豐富的素材。

對于絕大部分昆蟲，其飛行方式也為撲翼飛行。基于昆蟲的仿生飛行器大部分也是撲翼飛行器，這與仿鳥飛行器較為類似，例如同樣可以用Clap and Fling等機制解釋高升力成因。與仿鳥飛行器不同之處在于仿昆蟲飛行器尺度較小，其翼展一般為厘米級。對于微型撲翼飛行器，常用飛行試驗研究方法主要包括流場顯示和氣動力測量等。W.Shyy等［42］研究了低雷諾數下微型撲翼飛行器設計中的關鍵問題；美國加州大學M.H.Dickinson等［43］使用油罐中懸掛機械翅的方法開展試驗，模擬低雷諾數下昆蟲飛行狀態，得出了昆蟲依靠延遲失速、旋轉循環、尾流捕獲共同產生高升力的結論。

在樣機研制方面，2013年哈佛大學K.Y.Ma等［44］以雙翅目蜂蠅為原型，研制了一種微型仿昆蟲撲翼飛行器，其總質量僅為80 mg，雙翅翼展為3 cm，可以提供超過1.3 mN的升力，左右兩翅的驅動機構功率為19 mW，但是受到電池技術的限制，它只能夠通過尾部連接細導線來獲取電力；2017年，該課題組Chen Yufeng等［45］在此基礎上加以改進，對微小結構加以優化，雙翅翼展為4 cm，質量為0.15 g，升力增加到2.2 mN，可以利用水的張力降落在水面上，并可以通過引燃電解水產生的氫氣和氧氣，瞬間（1 ms內）獲得7.5～9.0 N的推力，達到從水面起飛的目的；此外，Festo的仿生蜻 蜓 飛 行 器［46］、仿 蝴 蝶 飛 行 器eMotionButterflies［47］，也是以昆蟲作為仿生對象，加以仿生學設計，獲得了優秀的氣動性能。

同樣作為飛行能力優秀的生物，蝙蝠也是很多仿生飛行器的模仿對象。2001年美國加利福利亞工學院和Aero Vironment公司共同研發的“MicroBat”［48］，總質量為12.5 g，翼展為0.229 m，能夠在空中持續飛行42 s。另外，水母作為一種海洋生物，經歷數億年的繁衍，對能量的利用效率已經到了相當高的水平，同時也具備低雷諾數下優良的氣動外形。依據這種特性，很多飛行器也以水母為仿生原型，以浮空飛行器居多。例如2014年紐約大學依據水母的外形，設計了一款浮空撲翼飛行器［49-50］，可以通過分布在四周的四個撲翼在空中緩緩移動，能量利用效率非常高；國防科技大學的楊躍能等［51］模仿僧帽水母，優化了一種平流層飛艇的氣動外形，將其升阻比提高60%以上。

除了以單種生物為原型進行仿生飛行器設計之外，也有研究者以多種生物為模板，分別取其氣動性能優異的外形部分，并將它們結合在一起，設計出了新的仿生飛行器。例如吉林大學鮑楊春［52］，分別選取翠鳥的頭部和龍虱的身體為形態仿生對象，并將它們結合在一起，設計出一款跨介質航行器，其翼展為1.2 m，質量為12.91 kg，為飛行器減小阻力提供了一種設計方案。以上仿生飛行器樣機設計參數及研制思路如表3所示。

表3 其他形態仿生飛行器樣機研究匯總T able 3 Research summary of other bionic aircraft

2 形態仿生飛行器研制中的關鍵技術

“自下而上”和“自上而下”分別是形態仿生飛行器設計過程中兩種思路。本節分別圍繞它們展開其相應的關鍵技術，以及仿生飛行器氣動特征的辨識方法。

2.1 “自下而上”——生物形態的提取

形態仿生本質上是對原有生物進行模仿和再設計，它從生物最底層的特征出發，逐漸轉化到更上層的仿生飛行器設計。在此過程中，怎樣提取原型生物的外形幾何特征，是形態仿生過程中至關重要的一步。目前常見的外形幾何特征提取方法包括：外形特征的簡化，借助生物觀測實驗系統和逆向工程等。

2.1.1 形態特征的簡化

對于外形特征的提取，一種行之有效的方法是對原生物外形進行簡化處理。外形特征簡化的目的是對生物主要結構特征的提煉和概括［53］，通過刪去次要的結構特征，保持原有生物形態的固有比例、形狀和結構，以減少形態仿生過程中的工作量。例如鸚鵡螺的生長形狀可以簡化為黃金螺旋線，向日葵種子、松子的排列可簡化為斐波那契數列［54］等，如圖2所示。在復雜的生物外形立體結構中，最簡單、包含形態特征最多的結構是特征線。利用特征線的提取，即可簡單還原仿生生物的立體外形。例如王鵬程［28］通過簡化鳥類翅膀為簡單運動副，設計出四連桿折疊雙翼撲動機構，符合真實鳥類拍打情況，從而在下行程完全伸展增大氣動力，上行程保持折疊減小阻力，極大地提高撲動效率。

圖2 外形特征提取［54］Fig.2 Appearance feature extraction［54］

2.1.2 生物觀測實驗系統

在形態仿生設計過程中，很多仿生生物原型只有在正常存活的狀態下，才具有較好的氣動外形。對于這類生物怎樣進行外形特征的提取，也是形態仿生過程中的難點之一。為了解決這個問題，可以采用生物觀測實驗來解決，通過觀測生物存活狀態下所展現的形態，以完成外形特征的提取。楊躍能等［51］在對平流層飛艇的外形進行仿生學設計時，以僧帽水母為對象，構建了雙視角同步成像系統，如圖3所示，透明水箱中以45°角斜置一面鏡子，利用一臺攝影機同時拍攝水母的側視圖和俯視圖，通過處理視頻圖像數據，成功獲得了僧帽水母在存活狀態下的外形特征。

2.1.3 逆向工程

仿生設計過程中，精確提取原型生物的外形參數對仿生設計極為重要。過去由于技術限制，在三維層面對生物立體形態的構建很難達到較高精度水平。隨著技術的不斷發展，現代仿生設計借助逆向工程，能夠在大部分情況下，獲得高精度的外形特征參數。逆向工程一般流程［55］包括：通過掃描設備獲取被測生物的點云數據；利用逆向工程軟件進行點云預處理，將物體表面光順化；利用CAD軟件進行模型重構；最后進行模型檢測，從而完成對仿生對象的高精度還原。在逆向工程技術的幫助下，仿生原型形態特征的獲取將變得更簡便和精確，能夠更靈活地運用在仿生飛行器設計過程中。例如吉林大學鮑楊春［52］利用掃描設備分別逆向得到了翠鳥頭部輪廓面和龍虱輪廓面，提取它們的特征輪廓線，加以縮放并組合在一塊，得到具有優異跨介質流體動力特性的飛行器外形組合體結構。

2.2 “自上而下”——優化飛行器性能時參考生物形態特征

2.2.1 基于仿生尺度律確定飛行器形態參數

在飛行器設計過程中，當遇到實際問題難以解決時，通過從自然界生物（如鳥類）獲取解決問題的方案，即“自上而下”的思路。在仿生飛行器“自上而下”設計過程中，仿生尺度率經驗公式是一種可行的技術方案。首先尺度率是指當任意物體尺寸發生變化時，與之相關的物理量和機械參數等會隨之發生變化的規律［56］。以仿生撲翼飛行器為例，當飛行器形態或者質量發生變化時，其自身飛行能力、續航能力以及能量利用效率都會隨之變化，這種現象又稱“尺度效應”。W.Shyy等［57］通過大量研究，最終利用量綱的方法得到各種鳥類的升力、翼面積、翼載荷、展弦比、巡航速度、撲動頻率、質量、功率等參數的統計關系，將飛行各個相關物理量結合到一起，通過曲線擬合的方式得到了仿生尺度率經驗公式。

利用仿生尺度率經驗公式，以及估算出的飛行器質量M，直接推算出飛行器的翼展、翼面積、展弦比、最小功率、最小功率速度等參數的經驗值，如表4所示。并依此開展仿生飛行器的設計，以獲得更接近鳥類的飛行性能。王鵬程［28］利用仿生尺度率思路設計的仿生撲翼飛行器，經估算其飛行效率可達到鳥類的75%。

2.2.2 基于遺傳算法優化仿生飛行器性能

在“自上而下”的思路中，將仿生對象的形態融合至飛行器本身的形態中，并結合飛行器自身特點加以優化，是至關重要的步驟。遺傳算法（Genetic Algorithm）作為一種在工程設計和計算中廣為運用的優化算法，恰好能夠解決仿生飛行器研發過程中的形態融合和優化問題，本文主要針對基本遺傳算法開展論述。

遺傳算法的產生本身就是仿生的結果，它是基于迭代過程的搜索算法，以達爾文的生物進化過程為準則，實現遺傳選擇和自然淘汰，遺傳操作包括選擇、交叉和變異。其核心內容包括參數編碼、初始種群的選擇、適應度函數的確定、遺傳操作、參數控制［58］。在形態仿生飛行器的設計過程中，遺傳算法主要用作生成產品的整體輪廓或者形態的關鍵曲線形狀［59］。在對仿生飛行器進行遺傳算法優化時，其步驟首先分別掃描飛行器和生物的模型坐標，將各自仿生面分別投影至兩個n×n網格中，取每個格點的高度值H n作為染色體母鏈；然后對母鏈分別作交叉和變異處理，得到第一子代，用篩選函數對第一子代進行篩選和插值，作為下一子代的親代染色體鏈；接下來對變異和交叉法則相關系數以及適應度函數進行修正，進行迭代運算；最后輸出優化后的曲面結果，以及分別和原飛行器表面和生物表面的擬合度和適應度函數指標，完成遺傳算法優化過程。將所得到的染色體中的格點插值后，即可得到所需要的仿生曲面。在此過程中，篩選函數和適應度函數的選取較為關鍵。解靜等［60］通過對氣動力、氣動熱、容積利用率和穩定性計算和分析，提供了一種確定篩選函數和適應度函數的思路。

2.3 仿生飛行器氣動參數的辨識

對于形態仿生飛行器的研制，掌握其空氣動力學特性作為關鍵目標，始終貫穿在整個研制過程中。一個可靠的數學模型能更直觀地了解和評判仿生飛行器的性能，并且在飛行控制器的設計中也是不可或缺的。要想得到仿生飛行器的空氣動力學特性，最為常用的方法是首先建立飛行器的運動模型和氣動模型，然后開展飛行試驗，通過實際測量飛行試驗數據來辨識氣動參數。此外，還可以與CFD氣動仿真計算和風洞試驗結果互相補充和驗證，來得到完整可靠的氣動參數。對于氣動參數的辨識，已有最小二乘法、極大似然法、頻率法、模型估計法、卡爾曼濾波法、生物進化算法等多種常用方法［61］。目前發展方向主要為提高氣動參數的辨識精度和收斂速度。

然而對于仿生撲翼飛行器等無法直接通過計算或者風洞得到氣動參數的飛行器而言，其氣動參數是非線性系統隱式參數，需采用一定優化方法加以計算。浙江大學孫遜萊［61］以仿海鷗多段翼撲翼飛行器為對象，采用剛體非線性微分動力學模型，依據實測飛行數據實現了撲翼類飛行器隱式氣動參數辨識。其辨識結果與實際飛行試驗數據吻合度高，誤差達到5%以下。

3 展 望

仿生學作為一門新興學科，不斷從大自然中汲取優秀的設計理念，為人類所用。而形態仿生飛行器的研制，作為仿生學的一個分支，近年來也取得了比較大的進展。通過對大自然生物形態的模仿和再設計，飛行器能夠獲得更好的氣動性能，在交通運輸的節能減排、成本控制等方面有著較好的應用前景。

對于形態仿生飛行器的發展，有以下3個方向。

（1）小型化、微型化發展。隨著人類科技水平的逐步提高，形態仿生飛行器也會不斷地朝小型化、微型化發展。目前受限于電池技術的發展，許多微型仿生飛行器仍然需要外接導線來獲取電力。在今后電池技術取得突破后，這些模仿飛行昆蟲的微小飛行器一定會大放光彩，取得長足的發展。

（2）高效化、靈活化發展。目前許多仿生飛行器還是簡單地對生物的模仿，其對能量的利用效率并不高，機動能力也較差。今后形態仿生飛行器會朝著能量的利用效率更高的方向發展，同時也能夠具備更高的靈活性，更加貼近仿生對象的實際性能，以獲得更優秀的仿生學效果。

（3）系統化、規范化發展。目前雖然形態仿生飛行器的發展已取得較大進展，但是其各自所采用的方法種類繁多，還未建立起一個較為完善和系統化的體系。今后隨著形態仿生飛行器研究的進一步推進，對于整體的研發會不斷朝著規范化和系統化的方向發展，從而讓形態仿生飛行器的設計有法可依、有章可循。

4 結束語

本文介紹了形態仿生飛行器的仿生原理和步驟，分析了當前形態仿生飛行器的發展現狀，并將形態仿生飛行器按照被仿對象種類分為三個大類別，分別介紹其研制進展，并列舉了該類別形態仿生飛行器樣機的研發內容和參數。隨后分析了在形態仿生中應用到的關鍵技術，“自下而上”思路中的形態特征提取方法、“自上而下”思路中參考現有生物解決仿生飛行器設計中的問題。之后介紹了仿生飛行器氣動參數的辨識方法，討論了如何辨識非線性系統隱式參數。最后，本文對形態仿生飛行器的未來發展方向進行了分析，得出了將來形態仿生飛行器會往小型化和微型化，高效化和靈活化以及系統化和規范化方向發展的結論。

形態仿生飛行器作為仿生飛行器中一個重要的類別，在今后將持續得到發展和創新。就目前而言，形態仿生的關鍵在于對目標形態的提取和轉化。在形態仿生飛行器研發過程中，隨著技術和理念的不斷進步，將來會有更加先進的技術出現，讓形態仿生的設計更加精確和有效。與此同時，這些技術和理念也會引領飛行器設計理念的更新和優化。兩個過程是相輔相成的，最終構成一個完整的閉環。相信在不久的將來，形態仿生技術的研究將會令飛行器的性能發生質的飛躍。