仿生撲翼飛行器研究現狀與發展前景分析

趙英杰

(衢州職業技術學院，浙江 衢州 324000)

0 引言

在自然環境中有許多種類的鳥和昆蟲，它們飛行的方式是使用翅膀來進行飛行，這種飛行方式能適應復雜的低空環境。這一特殊性是固定翼飛行器所無法達到的，尤其是其所具備的靈活性和能量應用高效性[1]。

從20世紀80年代開始，隨著實驗儀器設備技術的發展及計算流體力學的進步，科研人員開始從流體的非定常流動方向研究仿生撲翼空氣動力學并且取得長足的進步[2-3]。本文首先介紹國內外研究現狀及制作樣機的方法與結構分類，討論說明了撲翼機構的分類，最后介紹仿生撲翼飛行器在當前面臨的問題以及發展方向，并進行總結與展望。

1 仿生撲翼飛行器的運行原理

1.1 自然界中撲翼運動的類型

鳥類廣泛分布，由于體型不同，飛行環境的飛行模式和氣流條件也不同。為方便區別，飛行模式可以根據其撲動頻率和撲動高度進行劃分[4-5]。

1.1.1 低頻顫振，主要是滑翔飛行

因為飛行需要足夠的力量，較大的鳥類擁有更寬的翅膀，這使其擁有較大的翼展面積用來提供升力。當改變運動姿態時，只需要短暫的低頻振動即可獲得巨大的加速度。飛行過程中主要保持滑翔狀態，節約能量。這也是目前廣泛應用的固定翼飛行器借鑒的方向。

1.1.2 中頻撲翼運動，機動性強，速度快

自然界大多數中小型鳥類都使用這種飛行方式。由于體積小，單靠滑動無法實現升力，也無法完全擺脫空氣的黏性。所以實現升力的主要方法是拍打翅膀。

同時，中頻撲翼飛行模式和小尺寸翅膀也提供了很高的飛行機動性。有些鳥用“跳躍”來飛行，即襟翼循環完成后，機翼彎曲，利用慣性飛行，提高了飛行效率和飛行速度。由于它們的翼展很小，因此不能長距離飛行。

1.1.3 高頻顫振、翼型小、無法滑翔、飛行位置多樣

自然界中只有少數小鳥使用高頻拍打，其中最具代表性的就是蜂鳥。蜂鳥能夠進行復雜的飛行動作，例如通過翅膀的高頻拍動和靈活變化在空中翻轉和懸停，這是其他大型鳥類無法做到的。

1.2 撲翼飛行器結構設計

研究撲翼飛行器至今，隨著電機、流體力學和自動控制技術的進步，撲翼飛行器在機體輕量化、運動效率、柔性翼強度等方面取得了很大的進展，但始終無法投入實際使用[6-7]。撲翼飛行器面臨的問題可歸納為以下兩點：一是整機設計仿生化程度低，不能很好地模擬撲翼復雜飛行；二是飛行器能量轉換效率低[8]。

目前，撲翼飛行器主要是采用結構簡單、輕量化的單自由度機構驅動，并且配合柔性機翼材料來實現飛行。但是這種方法的缺點是無法適應復雜的氣流變化[9-10]。

從國內外小型撲翼飛機的驅動結構來看，大部分撲翼飛機忽略了肩部的轉動自由度，采用兩側固定的單自由度或多自由度撲翼機構實現機翼的撲翼運動，從而驅動撲翼飛行器飛行[11-12]。

綜上所述，首先，應當根據撲翼飛行器的設計尺寸和任務需求來選擇撲翼的運動頻率。第二，應當在撲翼飛行器機身輕度達標的基礎上盡可能的減少重量。第三，應當使用多自由度的機構或者柔性翼來應對飛行過程中的非定常流動的空氣，從而高效率的為撲翼飛行器提供升力。

2 國內外研究現狀

自20世紀50年代以來，撲翼飛行器相關的研究已經吸引了大量科研人員的興趣，當前仿生撲翼機器鳥的研究主要集中在機械結構及仿生原理上[13-14]，一部分研究者對鳥類的結構進行了深入探討并且通過制作樣機與實驗研究了鳥類在空中飛行時的運動模式并獲得相關數據。

2.1 國外

2021年，東京都立大學的Muhammad Labiyb Afakh等[15]研究者開發的仿生撲翼機器人(圖1)可以使用簡單的拍動機構和輕量化設計，通過超過自身重量來產生推力。起飛實驗結果表明，撲翼機器人能夠在沒有輔助的情況下從地面自行起飛。

圖1 東京都立大學研發的仿生撲翼飛行器

2020年，美國西雅圖華盛頓大學的研究人員制作了依賴于壓電驅動的撲翼飛行機器人[16](圖2)。在樣機實驗中，運用視覺傳感器來修正撲翼飛行器的運動偏差，使得飛行器可以自主飛行。

圖2 美國西雅圖華盛頓大學研發的仿生撲翼飛行器

2021年，華盛頓大學的研究人員設計了一種質量輕、質心低、方便制作、零件少的撲翼機器人[17](圖3)，即使在非定常條件的空中飛行，機器人也能夠在沒有支架的情況下穩定著陸，并允許機器人在水面和陸地運動。調整相對機翼行程幅度可以實現機器人的轉向，還具有著陸時在地面上移動的能力使機器人得以通過相當狹窄的空間和障礙物，而且具備懸停飛行和受控著陸的能力。

圖3 美國西雅圖華盛頓大學研發的仿生撲翼飛行器

2.2 國內

2020年，哈爾濱工業大學徐藝星[18]設計并制造了仿生蝙蝠撲翼飛行器樣機(圖4)。撲翼機構以空間曲柄搖桿機構為基礎，采取二級齒輪減速傳動，制作樣機并進行懸吊飛行實驗。

圖4 哈爾濱工業大學研發的仿生撲翼飛行器

2020年，南京航空航天大學的顧光健[19]參考自然界中的鳥類設計了仿生撲翼飛行器并制作了樣機(圖5)，還對整機進行氣動測試。測試結果表明，扇翼的平均角度只能影響撲翼合力矢量的方向，而扇翼的頻率只能影響撲翼合力矢量的大小。

圖5 南京航空航天大學研發的仿生撲翼飛行器

2021年，吉林大學的陳默[20]基于仿生原理對自然界中的蒼蠅進行模擬，設計了仿生撲翼飛行器并且在此基礎上進行了空氣動力學與運動學研究分析(圖6)。制作了樣機并進行了實驗。

圖6 南京航空航天大學研發的仿生撲翼飛行器

3 結語

盡管目前各國科研人員研發的仿生撲翼飛行器還在結構強度和使用壽命上有所欠缺，在飛行控制和能量利用效率上還需發展，從而導致撲翼飛行器未能大規模應用。但是隨著空氣動力學、材料學、自動控制技術的進步，未來的撲翼飛行器將會有更長的續航時間和使用壽命，并將在軍事和民用領域得到大規模的應用，帶來巨大的經濟和社會效益。