仿生微型撲翼飛行器的研究進展

丁美希，趙全亮，馬世偉，劉志凱，張萌穎，何廣平

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

1 引言

地球數億年的生命演化過程中，進化出了近百萬種昆蟲，它們擁有各自獨特的飛行能力[1]。面對飛行生物，人類也表達出了對天空的渴望。通過一百多年來對飛行器的研究，目前廣泛使用的飛行器主要為旋翼飛行器和固定翼飛行器，但隨著飛行器的尺寸不斷減小，傳統飛行器的理論不再適用于微飛行器。1997年，美國國防預研項目局的McMichael首先提出了一種模仿昆蟲翅膀撲動飛行的微飛行器，這種微飛行器的尺寸與昆蟲相當，而它們都是依靠翅膀進行撲翼飛行的，可以實現低速飛行、懸停飛行等動作[2]。通過對昆蟲飛行的研究，人們發現，與此前傳統的飛行器相比，這種撲翼飛行器,不僅可以同時產生推力和升力，而且飛行效率更高，還不需要專門用于起飛降落的場地。所以，對于撲翼飛行器的研究越來越受到國內外相關人員的重視。

撲翼飛行器不僅可以產生穩定的升力，而且擁有更加優異的靈活性和機動性[3]。目前，對仿生微型撲翼飛行的機理研究已經為撲翼飛行器樣機的研制提供了理論指導[4]，并且國內外多所高校和研究機構成功試飛了多種仿昆蟲撲翼飛行器。然而，這些撲翼飛行器普遍存在飛行控制欠缺、環境適應能力弱以及無法執行基本任務等問題，這主要是因為還沒有形成比較完備的微型撲翼飛行機理理論體系[5]，在結構設計、材料選擇、驅動方式和自動控制等方面還存在巨大的創新空間。

本文中對近些年來仿生微型撲翼飛行器的研究成果進行總結，通過對昆蟲飛行的高升力機理、不同驅動方式的仿生微型撲翼飛行器樣機、典型微加工制造技術的論述，分析當前撲翼飛行器研究中存在的問題并對未來撲翼飛行器的發展趨勢進行一定程度的預測和展望。

2 昆蟲飛行的高升力機理研究

仿生微型撲翼飛行器的研究中，最重要的是仿生學運動機理。相較于旋翼和固定翼飛行器，撲翼飛行器不僅僅是體積的減小，在飛行參數上還有飛行速度、空氣附面層作用、超低雷諾數的巨大差異，因此撲翼仿生學的發展與撲翼飛行器的樣機制造幾乎是同步的，得不到仿生學的理論支持也是撲翼飛行器發展緩慢的原因之一。

自然界中，雖然鳥類與昆蟲都是依靠撲翼飛行，但在飛行方式和升力產生機制上卻存在很大的差異。從雷諾數方面看，大多數鳥類飛行的雷諾數是105以上，昆蟲飛行的雷諾數在103～105，甚至個別微小昆蟲的雷諾數會低至10。隨著撲動翅膀的尺寸減小，空氣的粘附作用則會越明顯。因為昆蟲的翅膀要比鳥類小很多，所以它們需要通過提高翅膀的振動頻率來減小空氣粘附對飛行的負面影響；從翅膀形狀上看，和昆蟲的扁平翅比較，由于鳥類的雙翼具有特定的弧度，所以產生的升力會更大，而且鳥類的翅膀分為內翅和外翅，在飛翔時內翅充當固定翼飛行器兩翼的功能，會持續產生升力，外翅相當于昆蟲翅膀的作用，因此飛行效率會高很多；從內部結構上看，鳥類的翅膀由大量羽毛、血管、神經、肌肉組織和骨骼等組成，能完成閉翅和張翅的動作。當翅膀上拍時羽毛打開使空氣流過，從而減小阻力，下拍時羽毛閉合，從而獲得更大的升力。昆蟲的翅膀由翅膜、翅脈、翅梁組成，沒有鳥類翅膀的復雜結構，因此只能通過高頻振動來維持飛行；從驅動方式角度看，鳥類大多通過翅膀上發達的飛行肌肉主動控制翅膀形狀，很少會做高頻率撲動，昆蟲的飛行肌肉主要集中在翅根部，除少數多翅昆蟲外，大多數昆蟲的翅型很難改變，因此多為被動控制，而且得益于薄膜結構輕薄的特性，昆蟲的翅膀很容易隨氣流產生高頻共振。同時，昆蟲飛行時可以產生很高的升力，這種升力保證了昆蟲可以穩定飛行、快速升降高度、懸停和快速轉彎。對于昆蟲飛行時升力來源的研究，主流的觀點有拍合機制、延時失速機制、翻轉機制和尾跡捕獲機制等4種機制。

2.1 拍合機制

根據Weis-Fogh等[6]對小黃蜂的研究，認為拍合機制是大部分昆蟲產生升力的原因。此后，Lehmann等[7]通過對黑腹果蠅建立等效動態力學模型，驗證了Weis-Fogh的研究結論；Sun[8]采用粘性流體方程模擬的方法對拍合機制進行研究，驗證了前緣渦產生平動升力的機理。

拍合機制如圖1所示[9]，在初始位置上，2個翅膀緊靠在一起，之后圍繞各自的后緣勻速轉動，2個翅膀逐漸分開形成空隙，流體進入空隙產生旋渦進而迅速產生低壓區，翅膀進一步打開因而產生了瞬間的高升力。當兩翅徹底分開的同時，前緣帶動翅膀靠近擠出空氣，完成一個拍動周期。還有研究表明[10]，拍合機制需要面積大的翅膀和大拍動幅度才會比較明顯，比如蝴蝶。對于研究比較多的果蠅來說，它只有在進行吊飛的時候才會采用拍合機制，在自由飛行時幾乎不會采用。根據斜板效應理論，只有傾斜的平板才會有高升力、低阻力的特性，若將昆蟲的翅膀振動看作垂直運動的平板，在高頻反復開合的過程中由于阻力較大，實際消耗的能量會大大提升，導致飛行效率下降。

圖1 拍合機制

2.2 延時失速機制

根據Ellington等[11]的實驗，天蛾撲翼飛行時由于前緣渦的延時失速產生了升力。在翅膀拍動時，會產生2個前緣渦，第1個在下拍的初始階段產生并在翅膀向內扭轉結束時消失；在下拍即將結束時，翅膀轉動攻角開始增大，導致了第2個前緣渦的產生，但由于下拍時間短，第2個前緣渦在翅膀失速前沒有消失，一直持續到下拍結束。為驗證這一機制，Thomas等[12]對蜻蜓的飛行機制進行了研究，如圖2所示。圖2(a)在上撲時翅膀頂部可以看到撲動時的尾流，圖2(b)在向下撲動時2個前翅之間會形成2個漩渦，圖2(c)在經過中間位置繼續向下撲動時2個漩渦會延遲擴展到翅膀上，圖2(d)在下撲結束時2個漩渦會逐漸消失。結論表明，蜻蜓的飛行正是采用了延時失速機制。

圖2 延時失速機制

2.3 翻轉機制

Dickinson等[13]進行風洞實驗和昆蟲吊飛試驗時，通過力傳感器測量發現：昆蟲在翅膀上下拍動的轉換期間存在一個明顯的升力峰值，期間平動速度較小，延時失速機制并不能解釋這個現象，因為這種升力的增加是翅膀的翻轉產生的。如圖3所示，在翅膀開始反向撲動時，通過減小平動速度來抵抗前方的來流，并阻止升力快速降低。

圖3 翻轉機制

2.4 尾跡捕獲機制

昆蟲的每一次撲動都會殘留一部分尾流，當昆蟲翅膀在上撲和下撲轉換時，前一次拍動產生的尾流還沒完全消失，翅膀就快速改變角度，與此前運動的流體發生相對運動，空氣流速加快，會捕獲一部分損失的能量。根據Dickinson等[13]對昆蟲在油中飛行的模擬研究表明，如圖4所示[14]，僅由攻角產生升力無法獲得大于昆蟲重力的升力，但是在尾跡捕獲機制和翻轉機制的共同作用下，就會在一個撲動周期內產生2個升力峰值，以此達到了飛行的目的。尾跡捕獲機制在昆蟲懸停時比較明顯，當昆蟲在快速飛行時，翅膀能捕獲的氣流很少，尾跡捕獲機制的作用不明顯。

圖4 尾跡捕獲機制

3 仿生微型撲翼飛行器驅動方式研究

3.1 電機驅動

電機驅動因其成熟的發展成為了多數撲翼飛行器研究的選擇。雖然因電機尺寸的限制，由電機驅動的撲翼飛行器普遍體積較大，但電機帶來了更大的負載能力，可以使飛行器攜帶更多的傳感器，實現更多的功能。從2005年開始，荷蘭代爾夫特理工大學Croon等人先后研制出了五代仿蜻蜓Delfly系列樣機[15-18]。該系列樣機的特點是利用電機驅動齒輪-連桿傳動機構帶動X型機翼做前后往復運動，保證了在相同翼展面積的情況下飛行器的能量功耗更小、穩定性更好。飛行器還裝備機載攝像頭，并應用高速相機動態捕捉技術實現飛行器的位置控制。2013年他們[19]又研制出了Delflyexplorer撲翼飛行器，使用電磁線圈替換電機，通過減輕質量獲得了更好的氣動性能，從而可以攜帶更多負載，同時在原樣機的基礎上又添加了避障功能，成為世界上第一個可以自主飛行的仿昆蟲撲翼飛行器，并依靠自身的立體視覺系統可自主飛行9 min。2018年他們[20]從果蠅飛行中得到啟發，利用成像控制方式，對Delflyexplorer樣機進行了優化，研制了仿果蠅撲翼飛行器，如圖5所示[20]。

圖5 仿果蠅撲翼飛行器

為了穩定空間飛行姿態，該飛行器增加了一個2.8 g微型自動駕駛儀，并配備了一個可編程的微型計算機和姿態估計傳感器。優化后的飛行器質量為28.2 g，翼展為33 cm，盤旋時翅膀拍動頻率約為17 Hz，電池充電一次可以維持5 min的懸?；虺^1 km距離的飛行。在研究果蠅飛行時發現，該飛行器在快速傾斜轉彎時的被動運動會產生偏航力矩耦合，這種修正偏航的旋轉運動可將飛行器推向有效轉彎所需要的逃逸航向，產生俯沖規避等動作。

2015年，普渡大學的Deng等[21]研制了一款仿蜂鳥撲翼飛行器，如圖6所示。它實現了對每個翅膀的單獨控制，翅膀的軸與彈簧結構連接，不僅可以儲存能量，還可以實現系統共振。研制過程中，為了實現翅膀的瞬態軌跡跟蹤，通過建立飛行器系統動力學模型，證明了自適應魯棒控制可以實現對頻率、振幅等參數的跟蹤。2016年，他們制造了質量為7.5 g，翅膀振動頻率超過30 Hz的仿蜂鳥撲翼飛行器，實現了飛行和力矩控制。該飛行器是基于單向電機上額外的伺服機構來驅動控制飛行的，此系統的無系留集成系統相對簡單，在載荷和質量上都有特定的限制。2020年Deng等[22]又對飛行器的控制器和原型樣機優化了控制帶寬和權限，提升了質量比，也對完整的系統模型、機翼驅動動力學、機身動力學、機械限制和電氣約束進行了分析，并對整體系統和每個子系統進行了試驗驗證，解決了獨立控制翅膀和不同設計約束之間的權衡問題，最終樣機翼展170 mm、質量為20.4 g。該樣機采用直流電機驅動裝有扭轉彈簧和減速齒輪的機翼，并且增加了一個定制的直流功率調節器連接驅動電路，以適應尺寸、質量和功率的限制，在無系留飛行過程中保證了飛行穩定性，大大提高了飛行效率，在懸停和載重(超過飛行器本身質量60%)的情況下表現出了持續穩定的飛行。2021年他們[23]將強化學習(RL)控制理論納入到傳統的控制穩定器中，在原型機的基礎上增加了快速逃逸和360°身體翻轉的攻擊性動作，使得飛行器的飛行能力更加接近自然界中蜂鳥的復雜飛行性能，在處理突發狀況問題上更有效。

2015年韓國建業大學Park等[24]研制了一款仿甲殼蟲無尾撲翼飛行器，如圖7所示。該飛行器包括2個線性伺服器、1個電池和遠程控制電路，質量約15 g，可以產生20 g的推力，翅膀拍動的頻率為22 Hz。撲翼機構的設計結合了四桿機構和齒輪傳動機構，將電機旋轉運動轉換為高達190°的撲翼運動，同時在頂部和底部安裝2套固定穩定器實現遠程控制飛行。但是該飛行器的運動不穩定，飛行時間只能在30 s左右。2016年他們[25]在原來樣機基礎上對飛行控制器進行優化，利用一種控制力矩發生器來控制撲翼同時產生飛行力和控制力矩。通過控制電機，撲翼飛行器可以獨立地使每個機翼的沖程平面傾斜15°?？刂屏匕l生器可以改變沖程平面產生合理的俯仰和偏航力矩，使機翼根部后緣位置產生滾轉力矩，并采用遠程控制實現了飛行器的可控飛行。2020年他們[26]又對甲殼蟲碰撞恢復機制進行了研究，樣機如圖8所示。飛行器翅膀借鑒甲殼蟲的可折疊翼原理，在上機架中間位置增加了碳纖維彎曲關節，如圖9所示，將后翼安裝在撲動機構的輸出連桿上，以180°左右的振幅進行撲動，柔性鉸鏈扭轉能夠引起機翼的變形。這種設計使得飛行器可以實現在飛行過程中翅膀碰撞障礙物后恢復飛行的能力，極大提高了飛行器的飛行穩定性。

圖8 具有可折疊翼的仿甲殼蟲飛行器

圖9 飛行器機翼的設計結構

3.2 壓電驅動

壓電驅動器主要利用壓電材料的逆壓電效應，即在材料的極化方向上施加電場使材料發生形變，從而實現往復運動。2011年哈佛大學微機器人實驗室Wood等[27]研制的仿昆蟲系留撲翼飛行器(FMAV)，如圖10所示，質量約60 mg，翼展約為3 cm，在壓電雙晶片驅動器下首次實現了沿垂直軌道攀升。該撲翼飛行器的結構簡單，主要由一個壓電雙晶片驅動器和2個四桿傳動機構組成。其中，四桿傳動機構的柔性鉸鏈是由碳纖維-聚酯膜-碳纖維三層材料復合而成。外置電源產生的輸入信號經由傳動機構輸送到機身與兩端機翼，使雙側機翼實現同步拍打運動，拍打幅值約±60°，扭轉幅值±45°，共振頻率為110 Hz。機翼尖端位移基于柔性的四桿傳動機構放大，沿φ軸主動旋轉產生慣性力，影響沿θ軸的被動旋轉，使得機翼拍打過程產生非零仰角，從而產生約為其自身重力3.6倍的升力。但是，由于只采用了一個壓電驅動器控制兩側對稱拍打的機翼，并且集中控制單個高度自由度，不能實現空間多自由度的控制，因此無法滿足空間多自由度飛行的需求。

圖10 撲翼飛行器翅膀撲動機制

2012年Wood等[28]又在FMAV的基礎上進行了優化，利用恒定頻率控制飛行的同時，為雙機翼各自配備了一個壓電雙晶片驅動器，使每個翅膀可以獨立驅動并微調振幅，從而產生滾轉、俯仰和偏航力矩來實現懸停、平移等運動姿態。這種微型撲翼飛行器質量70 mg，峰值升力可以達到1.3 mN，如圖11(a)所示。但是，為了實現較好的對稱和重復飛行能力，使用2個壓電驅動器大大增加了飛行器的復雜程度，并且由于要求2個機翼撲動保持與系統相同的共振頻率，從而達到最大的工作效率，致使飛行穩定性不高。2014年他們[29]進一步優化了這種微型撲翼飛行器，采用了Lyapunov直接法，提出穩定的自適應控制系統。與在真實昆蟲中觀察到的更復雜的機翼運動學相反，該控制器使用簡化的機翼運動學，提高了飛行效率并降低了飛行誤差。

2016年Wood等[30]又利用靜電黏附機制提出一種質量約13.4 mg的可附著微型撲翼飛行器，如圖11(b)所示。其頂部集成安裝以聚酰亞胺薄膜為襯底的圓形銅電極，幾乎可以在任何材料表面上誘導產生相反電荷，從而與之產生靜電吸附力。但是，由于靜電吸附力較小，該飛行器的有效載荷不高，并且受到質量和大小的限制，無法攜帶自主操作需要的電源和傳感器。針對此問題，2020年他們[31]又研制了一種無系留的微型撲翼飛行器，如圖11(c)所示。該樣機質量約90 mg，使用4個翅膀提高了約29%的氣動效率，機身附加的微型光伏電池陣列和驅動電路使其可以去除外接電源實現無限制一體化飛行。但是，由于有效載荷能力有限，增加了集成機載電子電源和電路后，能耗增大，只能支持0.5 s左右的有效飛行。上海交通大學也在FMAV的基礎上將單個機翼設計優化為仿生往復機翼，如圖12所示[32]，制造了具有壓電雙晶片驅動的4個質量為247 mg的仿生柔性往復翼，機翼對稱分布在飛行器的對角線上，在134 Hz諧振頻率下，產生了23.5°的往復角，飛行效率較大，也增加了有效載荷。

圖11 哈佛大學研制的撲翼飛行器

圖12 仿生往復翼微型飛行器

2021年日本豐田實驗室Ozaki等[33]研制了一個無線射頻電源驅動的微型無系留撲翼飛行器，如圖13所示。該樣機車身采用6個機翼和6個執行器，6個機翼分為3組成對驅動，在降低震動能量損失的同時提高升力。與哈佛大學集成光伏電池陣列和驅動電路的無系留飛行器相比，該樣機采用了一個亞克射頻功率接收器，該接收器的功率質量密度約為4 900 W/kg，比類似質量的鋰聚合物電池高5倍左右，解決了輕型高功率密度電池的限制，最終樣機獲得的總升力約為2.4 gf，質量約為1.8 g，相比同類型的微型飛行器輕25倍多。

圖13 帶有射頻功率接收器的飛行器

3.3 電磁驅動

隨著微機電系統(MEMS)技術的成熟，電磁驅動器憑借著體積小、質量輕的優點逐漸代替了傳統電機，作為仿生微型撲翼飛行器的動力源。圖14為單線圈、雙線圈的驅動撲翼飛行器。

圖14 單線圈、雙線圈驅動撲翼飛行器

2016年，上海交通大學Zhang等[34]利用紫外激光和智能復合微結構(SCM)工藝研制了翼展35 mm、質量為80 mg、撲動頻率80 Hz的仿昆蟲撲翼飛行器，如圖14(a)所示[35]。其撲動角度達到了70°，可以克服重力起飛。但是，由于使用單一驅動器，不能產生偏航和翻滾力矩，只能沿著導軌垂直上升和懸停飛行，無法實現空間多自由度可控飛行。2020年他們[36]利用2個背靠背放置的電磁驅動器以獨立驅動2個翅膀，解決了只能控制單一高度自由度的問題。該樣機質量為96 mg、翼展3.5 cm，如圖14(b)所示，通過球面四桿機構傳輸，產生了調制俯仰、滾轉和偏航的3個控制力矩，實現了空間多自由度系留飛行。但是為了機器人的可控飛行，還需要對飛行器的空氣動力學、機器人的系統動力學進行更詳細的建模，在微電源、微傳感器、飛行效率優化等方面進行探索。

3.4 介電驅動

介電彈性體驅動器(dielectric elastomer actuator，DEA)是介電驅動器的一種，它由上下兩面的電極夾住中間的介電彈性體組成，當向電極加載電壓時，兩側極板產生麥克斯韋應力相互吸引，中間的介電彈性體受到壓縮，從而將電能轉化為機械能。DEA與傳統壓電、電磁等驅動器相比,具有變形量大、質量輕等優點，在撲翼飛行器領域展現出巨大的應用前景。2019年，哈佛大學Chen等[37]利用預應變多層丙烯酸DEA驅動器來驅動仿生微型撲翼飛行器，如圖15(a)所示。這種致動器質量為100 mg，峰值功率密度600 W/kg，可以實現大于30%的應變量和大于4 J/kg的能量密度，同時使用了硅彈性體作為飛行器的介電材料來提高帶寬(>400 Hz)。如圖15(a)所示，DEA放置在輕型機身中，并通過連接到兩端的四桿機構將DEA的收縮運動轉化為飛行器兩翼的同步撲翼動作，這種設計可以避免使用剛性支撐結構，從而減輕質量。這種模塊化的飛行器可以進行靈活組裝，如圖15(b)所示，每個撲翼模塊質量為115 mg，通過將多個DEA集成到一個撲翼機構中產生系統共振，消除了因非線性轉換引起的高次諧波，并突破了單個DEA功率密度過低(<200 W/kg)導致撲翼飛行器無法起飛的限制。最終，該撲翼飛行器產生了自重1.2倍(1.8 mN)的凈升力，在300 Hz、1 300 V驅動條件下，該DEA功率密度為300 W/kg，還有超過600 000次的壽命，可以使撲翼飛行器實現穩定上升和受控懸停飛行。同時還通過感知與障礙物的相互作用，利用自身材料的堅固性和柔韌性從碰撞中恢復飛行。

圖15 DEA驅動的微型撲翼飛行器

2021年，Chen等[38]又改進了此前的微型撲翼飛行器并研制了一款665 mg的MVA。這項工作主要是對DEA驅動器進行改進，撲翼飛行器的整體結構保持不變。該研究團隊通過對彈性體材料的研究，發現彈性模量的提升會導致功率密度的提升，于是采用擁有更大彈性模量和更高介電常數的介電彈性體(Elastosil P7670)材料，在更高的共振頻率下實現了更大的位移量(2 mm)。同時該介電彈性體在做得更薄(30 μm)的情況下，使DEA的功率密度和轉換效率分別提升了100%(600 W/kg)和560%(37%)，凈升力提升了83%。改進后撲翼飛行器的上升速度也達到了70 cm/s并保持16 s的懸停飛行，在受到碰撞時,不僅可以通過自我感知的魯棒性恢復飛行姿態，甚至還能進行類似翻跟頭的激進機動動作。

由于DEA的驅動電壓高達幾千伏，應用于微型撲翼飛行器受到的限制較多，但是可以通過制作超薄介電彈性體薄膜來降低驅動電壓。2022年，Chen等[39]又對此前的撲翼飛行器進一步優化，在外形不變的基礎上，利用多層制造方法將DE薄膜的厚度降低到10 μm，并增加堆疊層數至20層，在保持高功率密度(>500 W/kg)條件下進一步降低驅動電壓至小于500 V。與此前6層DE薄膜相比，20層DE薄膜的凈升力提升了60%，壽命提升至200萬次。最終，該撲翼飛行器的懸停時間也達到了20 s。盡管DEA的研究已經取得了進一步發展，但相比壓電、電磁驅動的撲翼飛行器，DEA主要使用的多為柔性電極材料，這也帶來了效率較低的問題。未來的研究方向是通過改善柔性電極材料的均勻度和緊密粘合度來降低電極的能量損耗。

此外，2022年布里斯托爾工程學院的Jonathan等[40]也提出了一種介電驅動器——液體放大拉鏈驅動器(liquid-amplified zipping actuator，LAZA)——驅動的微型撲翼飛行器，它不需要額外的傳動系統，極大地減輕了整機的質量，如圖16所示。圖17為LAZA驅動器，它由一對帶有絕緣層的固定電極、一個活動機翼電極和中間的液態電介質組成。為了提高中間液態電介質的介電常數以免被擊穿，他們采用了硅油充當電介質。它利用了液體放大靜電拉鏈原理，將靜電力集中到一個移動拉鏈點上，不僅產生巨大的形變量(>99%)，對比能量的提升也十分可觀(6.88 J/kg)。當功耗為243 mW時，可以產生5.73 mN的凈推力，并持續進行 0.71 m/s的水平飛行。實驗證明，LAZA在50 Hz的撲動頻率下，經過100萬次的循環后，該飛行器撲動幅度沒有明顯變化。LAZA作為一種新型驅動器，與DEA相比，有結構簡單、質量輕、噪音小、成本低的優勢；與上述DEA驅動撲翼飛行器相比，LAZA驅動的撲翼飛行器可以獨立控制撲動頻率、撲動幅度，實現對姿態和位置的精確控制。但是，目前LAZA驅動的撲翼飛行器的推力質量比僅為0.114，無法實現垂直起飛，未來對于LAZA的研究將會集中在通過改進電極材料、液態電介質來提高靜電力并降低自重。

圖16 LAZA撲翼飛行器

圖17 LAZA的結構 Fig.17 The structure of the LAZA

綜上所述，不同驅動方式的微型撲翼飛行器性能對比如表1所示。電機和電磁線圈驅動方式是與傳統宏觀驅動原理比較接近，適合應用于尺寸較大的微型撲翼飛行器，負載和無系留自治飛行能力較好，但不利于微型化設計，并且功耗較大。與之相反，壓電和介電功能材料驅動方式更加適合應用于毫克級質量和更小尺寸的微型撲翼飛行器，功耗也非常低，但是負載和無系留自治飛行能力較差。

表1 不同驅動方式的微型撲翼飛行器性能對比Table 1 Comparison of bionic flapping wing micro-aircrafts with different driving methods

4 智能復合微結構(SCM)加工工藝

由于微型撲翼飛行器整體尺寸較小，因此對自身結構和材料的綜合要求非常嚴苛。目前，碳纖維材料因其質量輕、強度度、易于微加工等特點，已廣泛應用于各類撲翼飛行器中。然而，基于傳統機械制造技術存在精度差、效率低等問題，很難實現有效的毫米/亞毫米級輕量化加工，使微型撲翼飛行器的進一步微型化受到阻礙。針對這些問題，哈佛大學微機器人實驗室Wood和加州伯克利分校Fearing等[41]花了十多年的時間來設計彌補這一技術差距的方法，提出了SCM加工工藝，為微型機器人的設計制造提供了一種可行方案。其中最為典型的包括柔性鉸鏈和折疊結構的制作，這種多層材料的平面加工替代了難度大的三維結構加工，使加工出的微型零部件更加精細，也使得零件批量化、大規模生產成為可能。

4.1 SCM工藝的典型制造流程

傳動機構以柔性鉸鏈和連桿結構為基礎，整體尺寸和特征尺寸的要求非常精細，其中柔性鉸鏈在傳動機構中起到“轉軸”的作用，而折疊結構用于平面形狀到三維形狀的轉化[42]。

柔性鉸鏈的典型SCM工藝制造步驟如圖18所示。首先將未固化的碳纖維預浸布層壓，之后進行激光加工刻出毫米級/亞毫米級的縫隙，再將聚酰亞胺膜放置在層壓板上后加熱固化至碳纖維板，并將其對齊到另一碳纖維預浸布層壓板上，對齊后重復固化過程，最終做出具有柔性彎曲鉸鏈的平面結構。柔性鉸鏈的設計方法提供了一個可以大范圍運動的柔順彎曲關節，其他剛性接頭和柔性接頭的結構都可以應用這種無摩擦、無間隙、無磨損的制造方式[41]。這種制造方式把平面結構折疊成一個完整的三維柔性鉸鏈結構，可以應用到微型撲翼飛行器的四桿傳動機構中。

圖18 SCM制造工藝

折疊結構制造加工與柔性鉸鏈加工過程類似，如圖19所示，最關鍵的部分是用于鎖住直角鋸齒結構，在切割完縫隙后，按照預先的設計折疊成直角，并使用瞬干膠粘住[43]。當傳動機構需要折疊時，在折疊方向切割出一條直線縫隙，反方向的碳纖維板則切出鋸齒狀縫隙。

圖19 折疊結構制造加工過程

4.2 一體化制造方法

微型撲翼飛行器如果采用分部件制造再使用手工進行裝配的方案，組裝過程中難免會產生誤差，致使撲翼飛行器精度降低，影響其最終性能[44]。一體化制造方法的提出大大減少了人工操作裝配的難度，使裝配精度問題的影響變小。一體化制造將柔性鉸鏈、90°旋轉折痕和180°旋轉折痕等3種不同的結構進行折疊和鎖定，將平面一體化結構轉變為所需要的三維結構[45]。制造過程是將碳纖維板預先設計需要的圖形輪廓，經定位孔定位后由真空袋壓技術粘合在一起，再通過激光切割得到設計好的圖形輪廓，最后折疊使其立體化，如圖20所示。

圖20 上海交大一體化制造撲翼飛行器

4.3 PC-MEMS制造方法

傳統的MEMS工藝源于集成電路制造技術[46]，而PC-MEMS技術則是借鑒印刷電路板(PCB)的制造方法，廣泛應用于制造中尺度MEMS器件。工藝制作過程主要包括4步：層壓碳纖維薄板、減材微加工、折疊、鎖定[47]。在層壓碳纖維薄板步驟的過程中，要保證碳纖維板層間的對齊，也要確保層級之間的連續性。所有的折疊部件都將要耦合到平面的裝配自由度中，然后通過微加工技術釋放折疊接頭，從而使裝配體彈出，再將所有彈出的機構部件鎖住，最后釋放所有自由度完成組裝。圖21為利用PC-MEMS技術加工的一種典型的微型撲翼飛行器。

圖21 PC-MEMS技術加工的微型撲翼飛行器

5 結論

仿生微型撲翼飛行器是一個多學科深度交叉融合的熱門研究方向，對先進材料、控制系統、非定?？諝鈩恿W等領域的發展具有重要的學術意義和廣泛的應用價值。根據微型撲翼飛行器體積小、機動靈活、使用方便、造價低廉、隱蔽性強難以被偵測等特點，可以在復雜有限空間環境下偵察預警、跟蹤定位、電子干擾、目標鑒別指示、巡邏、通訊甚至集群作戰攻擊等軍事用途，實現信息化、無人化、自動化、智能化聯合的一體化作戰。此外，還可應用于電力巡檢、執行救援任務、復雜地形掃描、農業噴灑、氣象監測、自然災害和突發事故等民事用途，能夠節省大量人力資源、提高生產水平，實現高效快速作業。目前，雖然仿生微型撲翼飛行器已經取得了較多成果，但是與實際應用要求還存在很大的距離，主要問題包括：

1) 對低雷諾數下撲翼飛行器的空氣動力學問題缺乏系統的理論研究。目前，已有的生物撲翼飛行機理研究主要還是基于高雷諾數下，普遍采用準穩態空氣動力學計算方法，但是該方法準確性不足，難以揭示撲翼飛行生物非定常非線性空氣動力系統的高升力機制，同時對撲翼飛行的升力、機動、內在力學等機制也未建立準確的模型和分析方法，無法對仿生微型撲翼飛行器的設計、制造和控制提供有效的理論指導方法。

2) 缺乏高效微型化加工制造技術及相關功能材料開發研究。目前，已有研究的微型撲翼飛行器尺寸一般在厘米、毫米量級，最小結構的特征尺寸也約在亞毫米量級。然而，自然界飛行生物的一些身體結構是由微米級甚至納米級的多級、多尺度結構大規模復合而成，現有的微型化加工制造技術還無法達到飛行生物身體結構的尺度級別和復雜程度。因此需要進一步研究與生物結構優異特性相媲美的大規模微型結構的高效制造技術。目前，撲翼飛行器機體的一般采用碳纖維材料或有機塑料等制造，未來還需要開發更易于加工的高強度低密度材料。此外，壓電驅動和介電驅動的功率密度還較小，驅動電壓也很高，需要開發功率密度大、更加易于驅動且功耗小的新型驅動材料，以實現制造更加輕量化、高效率的微型撲翼飛行器。

3) 負載能力低、續航時間短。由于微型撲翼飛行器的體積小、質量輕，導致其可攜帶的能源和輸出功率有限。同時，商用的鋰電池能量密度還不能與自然飛行生物體相比，還不能為克服微型撲翼飛行器自重外提供更多的升力以攜帶更多的負載，或者更長的飛行時間和飛行距離。因此，目前已有微型撲翼飛行器大多采用外接電源和控制電路的有線系留飛行，大大限制了它的飛行范圍。

4) 控制策略和方法不夠完善。微型撲翼飛行器在自主飛行時，需要大量信息的實時傳輸、計算與反饋，這對控制系統的運算能力要求非常高。但是由于其負載能力有限，導致可攜帶的控制系統硬件資源有限，無法實現大量數據和復雜算法的實時運算處理，這也對控制理論和算法的設計提出了更高的要求。

針對上述問題，未來微型撲翼飛行器將逐步改進，將主要向以下3個趨勢發展：

1) 系統化。將繼續探索改進微型撲翼飛行器氣動能效性的方法，深入研究非定常非線性空氣動力系統的力學建模和分析方法，基于離線或在線技術，通過辨識、學習、自適應、自修正撲翼飛行器的結構和慣性參數，獲得精準的系統動態模型。將控制系統、驅動系統、供給系統與微型撲翼飛行器高度集成在整個機械系統內，實現微型撲翼飛行器的一體化設計。

2) 微型化與輕量化。目前，撲翼飛行器的微型化制造技術主要采用介于MEMS和傳統大型制造技術之間的激光切割、SCM工藝等加工手段，未來還需研究更多方法進一步拓寬加工尺度范圍和效率。同時，也需要對高強度、低密度的結構材料和相關功能材料進行探索，不僅針對其性能優化提高，同樣研究更加易于微加工的制造技術，突破進一步減小飛行器尺度和質量的瓶頸。

3) 智能化。在微型撲翼飛行器中，除了需要機械系統提供穩定飛行的動力外，還應具備傳感、通信、控制等電子系統[48]。為了使微型撲翼飛行器更加接近仿生對象的真實飛行特性，例如復雜環境中的自主識別、判斷決策、避障逃逸等，需要進一步設計和優化控制系統，提高穩定性和魯棒性，有效改善飛行運動的能效性、靈活性和負載能力。同時，根據不同環境和任務要求，還需發展協同能力強、互不干擾的分布式智能控制網絡。