仿昆虫扑翼微飞行器研究现状与关键技术

王晨阳，张卫平，邹 阳

（微米/纳米加工技术重点实验室，薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海市北斗导航与位置服务重点实验室，上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系，上海 200240）

1 引 言

对飞行器的研究来源于人类对飞行生物的羡慕和敬畏。目前广泛研究的飞行器主要包括固定翼、旋翼和扑翼飞行器三种［1］。在大飞机领域，固定翼和旋翼飞行器在民用航空、国防军事和通用航空等方面已经完美地展现了各自的应用价值。而随着尺度的缩小、雷诺数的降低，固定翼和旋翼飞行方式很难产生足够的升力来克服自身重力起飞；在遇到外界干扰（比如阵风）时，很难保持自身稳定。相比于固定翼飞行，扑翼飞行可以产生稳定的气动力，实现悬停［2-5］。与旋翼相比，扑翼飞行拥有更多的灵活性和机动性，可以使用较少的能量实现较长距离的飞行。因此，在小尺度下（特别是接近昆虫尺度时），扑翼飞行相比固定翼和旋翼飞行，拥有更多的优势。

作为自然界中利用扑翼飞行的代表生物，昆虫的飞行方式非常独特，其雷诺数一般小于104，可以产生自身重量几倍的升力［2-7］，具有高的攻角和高的升阻比，可以在空中实现悬停、任意方向飞行和快速转弯，能抵抗外界环境的干扰，在狭缝、管道等复杂的环境中自由飞行，表现出很强的敏捷性、机动性和稳定性。

在过去三十年中，研究人员对昆虫的飞行产生了浓厚的兴趣，并开始研究昆虫飞行产生高升力的机理，尝试模仿昆虫去设计一些仿昆虫扑翼微飞行器（Flapping-wing Micro Air Vehicle，FMAV）。美国DARPA、NASA大力支持加州理工学院和美国航空环境公司等研究机构，着力于仿生FMAV的研究。美国国家科学基金会、陆军研究实验室、海军实验室和空军科学实验室大力支持哈佛大学从事昆虫尺度仿生FMAV的样机研究。美国卡内基梅隆大学、加州大学伯克利分校、麻省理工学院、斯坦福大学、普渡大学，日本东京大学、千叶大学，新加坡南洋理工，法国里尔大学和荷兰代尔夫特大学等研究机构也开展了仿昆虫FMAV的相关研究。Science等权威期刊针对仿昆虫FMAV的研究进行了大篇幅的报道和关注。

本文介绍了国内外对仿昆虫FMAV的研究进展，并从驱动方式、胸腔结构、制造方法、共振机制、飞行方式、控制方案、传感策略和机载设备等方面，对目前仿昆虫FMAV的相关研究进行了分析。仿昆虫FMAV是飞行器领域乃至机器人领域中一个非常重要的研究方向，其发展将会促进军事领域和民用领域的共同发展。目前世界范围内对昆虫的飞行机理还在研究中，驱动技术、结构设计、制造工艺和飞行控制等方面也不断有新的成果报道。仿昆虫FMAV可以类似于昆虫实现超低空飞行，通过携带任务载荷在复杂地形和狭窄空间中高效地执行特定任务，在军事侦察、危险环境探测、灾难搜救、电子干扰以及反恐监视等军事和民用领域具有不可估量的应用潜力。

2 国内外研究现状

1987年，麻省理工学院的Flynn［8］第一次提出了小昆虫机器人的概念，并针对小昆虫机器人的发展提出了一些技术愿景和研究策略。他认为，随着智能机器人计算机体系结构、传感器集成算法和微加工技术（微马达、微传感器和微功率电路）等领域取得重大突破，将很有可能诞生一种新的机器人——小昆虫机器人。这种机器人将大脑、传感器、执行器和电源高度集成在一小块芯片上，能实现大批量低成本的制造。

自从小昆虫机器人的概念被提出之后，陆续有科学家开始进行仿昆虫FMAV的样机研制。针对仿昆虫FMAV的样机研究，科学家们尝试了不同的驱动方式，主要包括静电驱动、压电驱动、电机驱动和电磁驱动等。

2.1 静电驱动仿昆虫FMAV

1992年，东京大学的Suzuki K等［9］首次开展了仿昆虫FMAV的研究。他们通过研究双翅目昆虫拍翅运动中肌肉和骨架的运动情况，如图1（a）所示，设计了微尺度下的无摩擦柔性铰链来代替传统机械系统中的刚性铰链，第一次将柔性铰链应用到仿昆虫FMAV上。他们以硅为基底、磷硅酸玻璃作为牺牲层、多晶硅作为刚性结构层、聚酰亚胺作为柔性变形层，成功实现了多层材料的叠层加工［10］。飞行器以铝板作为电极，使用静电驱动原理，将“刚性层——柔性铰链”从二维平面折叠成三维结构，实现了类似于昆虫的拍打运动，如图1（b）和（c）所示。由于当时对昆虫飞行机理的研究不够成熟，再加上受到材料、加工工艺和驱动技术的限制，导致最终设计的仿昆虫FMAV并不能产生飞行所需要的升力。尽管如此，他们提出的柔性铰链的设计思想和制造方法对后来的研究产生了很深远的影响。

图1 东京大学最早开始研究仿昆虫FMAV［9-10］Fig.1 University of Tokyo first began to study the insect-inspired FMAV［9-10］

2.2 压电驱动仿昆虫FMAV

从1998年起，加州大学伯克利分校的Biomimetic Millisystem实验室就开始了MFI（Micromechanical Flying Insect）项目的研究，目的是制造出一种翼展25mm的能自主飞行的机械昆虫［11-12］。Wood等人［13］第一次提出了基于多层平面材料的“智能复合微结构”（Smart Composite Microstructures，SCM）加工工艺。如图2所示，MFI项目研制的飞行器由四个双晶片压电驱动器驱动，整机拥有四个自由度。每个翅膀的运动均由两个压电驱动器控制。传动机构采用简单的平面四连杆机构，铰链采用碳纤维-高分子膜-碳纤维的“三明治”柔性铰链。传动机构的作用是将压电驱动器的微小尖端位移转化为翅膀的大幅度拍打运动，同时，两个压电驱动器的“差分”运动可以主动控制翅膀的扭转角度。

图2 MFI的胸腔结构［11-12］Fig.2 Structure of the MFI thorax［11-12］

最终，MFI项目研制的机械飞行昆虫在放大版压电驱动器的作用下，拍打共振频率达到275Hz，拍打角度达到±40o，单个翅膀产生的最大升力能达到1400μN［13］。但是，由于飞行器自身系统过于复杂而且质量较大，最终没能克服自身重力起飞。尽管如此，这些研究为之后的压电驱动仿昆虫FMAV的成功起飞打下了坚实的基础。特别是该项目中提出的SCM工艺，为仿昆虫FMAV的研究积累了重要的技术手段。

2007年，哈佛大学Microrobotics实验室的Wood［14-15］成功研制了世界上第一台能克服自身重力起飞的仿昆虫FMAV（命名为HMF）。Wood继续采用压电驱动方式，加工方法沿用了SCM工艺。相比伯克利MFI的复杂结构，HMF进行了很大的改进和优化。HMF的结构设计非常简单，主要由四个部件组成：压电驱动器、传动机构、翅膀和机身［14］，采用单个压电驱动器通过两个四连杆同时驱动两个翅膀实现拍打运动，如图3（a）所示。翅膀在气动力和惯性力的作用下实现被动扭转运动，产生升力。最终研制的样机如图3（b）所示，质量约60mg，翼展约3cm，拍打幅值±60o，扭转幅值±45o，共振频率110Hz，在外置电源的帮助下实现了沿竖直导轨攀升，如图3（c）所示，这是仿昆虫FMAV研究史上的一次重大突破。但是，值得强调的是，这款飞行器的两个翅膀由同一个压电驱动器控制，原理上实现不了三维空间的多自由度控制，因此不可能满足在空中自由飞行的需求。

图3 哈佛大学研制的仿昆虫FMAV［14-15］Fig.3 Insect-inspired FMAV developed by Harvard University［14-15］

由于HMF的两个翅膀由同一个压电驱动器驱动，只能产生对称的运动，因此飞行器无法实现偏航和翻滚运动。为了克服这个问题，从2009年开始，Finio等人［16-18］在HMF的基础上，设计了利用多个压电驱动器驱动的昆虫机器人。如图4所示，通过使用能量驱动器来实现两个翅膀的拍打运动，同时，引入控制驱动器来调节左右翅膀的拍打幅值，产生不对称的翅膀运动，进而实现力矩控制。但是这类方案也引入了两个新的问题：昆虫机器人的拍打运动依然主要靠同一个压电驱动器驱动，两个翅膀拍打的相位始终保持一致，不能产生偏航力矩，而且两个翅膀不能实现完全解耦控制；引入控制驱动器也增加了系统的质量。他们尝试了三种不同的空间布置方案，但是最终均没实现可控飞行。

2011年，卡内基梅隆大学的Hines等人［19］研制了一种双压电驱动的仿昆虫FMAV。如图5（a）所示，该飞行器机身主体由碳纤维构成，采用左右对称结构，每个翅膀的拍打运动分别由一个压电驱动器带动球面四连杆机构进行控制，翅膀的扭转依然采用被动扭转。双晶片压电驱动器尖端产生的位移是旋转运动，而哈佛大学之前的研究经验是使用两个串联的平面四连杆机构将压电驱动器的尖端旋转转化为翅膀的往复拍打。Hines等人在这里引入了球面四连杆机构，如图5（b）所示，实现了两个串联平面四连杆机构的功能，在结构上显得更加紧凑和高效。通过使用PID控制算法，控制两个翅膀的拍打频率、幅值和偏置，可以实现翻滚力矩和俯仰力矩的控制。这款飞行器的加工方法沿用了SCM工艺，最终的样机翼展72mm，质量705mg，拍打共振频率35Hz，最大拍打幅值100o，升重比约0.2［19］，虽然没有实现克服重力起飞，但是从样机角度验证了力矩控制的可行性。

图4 Finio设计的由多个压电驱动器驱动的HMFFig.4 HMF with multiple piezoelectric actuators designed by Finio

图5 卡内基梅隆大学研制的双压电驱动仿昆虫FMAV［19］Fig.5 FMAV with double piezoelectric actuators developed by Carnegie Mellon University［19］

图6 Finio设计的改进机身之后的三压电驱动HMF［20］Fig.6 HMF with three piezoelectric actuators designed by Finio with airframe improved［20］

2012年，Finio等人［20］重新研究了三压电驱动的HMF。如图6所示，原有的结构基本没发生变化，只是机身做了一点简单的优化。之所以会有研究上的反复，是因为美国空军研究实验室的研究人员提出了一种新的控制策略——“劈裂控制”［21-24］。这种控制方法让三压电驱动的HMF成功实现了翻滚、俯仰和偏航力矩的三自由度控制（2009年只能实现翻滚和俯仰力矩控制）。劈裂控制的精髓在于，翅膀上冲程拍打和下冲程拍打的角速度不一致，幅度一致，从而产生偏航力矩［21-22］。虽然在劈裂控制的作用下，改进版的三压电驱动HMF成功克服重力起飞并实现了开环力矩控制，但是控制驱动器的引入大大增加了系统的复杂程度，而且自由度之间存在强烈的耦合关系，并不利于昆虫机器人最终实现在空中的自由可控飞行。因此，这种三压电驱动方式最终也被放弃了。

2012年，哈佛大学Microrobotics 实验室的Ma等人［25］在HMF基础上研制了世界上第一台拥有飞行能力的昆虫尺度双压电独立驱动仿昆虫FMAV，如图7（a）所示。该飞行器沿用SCM工艺，采用被动扭转，每个翅膀由一个压电驱动器通过球面四连杆单独控制，如图7（b）所示。最终的样机质量70mg，通过使用劈裂信号驱动，成功产生翻滚、俯仰和偏航三轴力矩，并能产生1.3mN的升力，足够克服自身重力起飞。2013年，通过进一步的优化，Ma等人［26］研制的昆虫尺度双压电独立驱动仿昆虫FMAV实现了在空中自由可控飞行。采用外置电源驱动控制，如图7（c）所示利用外部Vicon系统进行实时运动捕捉和反馈。研究成果发表在Science杂志上。2014年，进一步提出了自适应控制，降低了FMAV的飞行误差，提高了FMAV的稳定飞行时间［27］。除此之外，利用自适应控制，成功实现了FMAV的稳定定向飞行，稳定起飞和降落，如图8所示。

图8 哈佛大学双压电独立驱动FMAV自适应控制［27］Fig.8 Adaptive control of the FMAV developed by Harvard University［27］

2015年，通过对原有样机尺寸的放大，并对结构进行进一步的优化，哈佛大学Microrobotics实验室的Ma等人［28］研制出了更大尺寸的扑翼飞行器，如图9所示。为了支持样机测试和防止机翼损坏，添加了一个由薄碳纤维翼梁组成的防滚架，以防止机翼撞击地面，提高了飞行器使用过程中的安全性与可靠性。最终样机翼展5.5cm，质量265mg，可提供的升力达380mgf。这使得飞行器可以有更多的负载，用来携带更多的传感器。

图9 哈佛大学研制的压电式扑翼飞行器 ［28］Fig.9 Piezoelectric driven insect-scale flying robot developed by Harvard Microrobotics Lab［28］

2015年，哈佛大学Microrobotics实验室的Chen Y等人［29］基于CFD和系统动力学分析，仿真了多模态扑翼在空气和水中的运动，并通过实验证明了该尺度下的扑翼飞行器具备在水中运动的能力，如图10（a）所示。2016年，哈佛大学的Graule M A等人［30］设计了一种电粘合剂装置，验证了该尺度下的扑翼飞行器能够栖息在玻璃、木材和树叶等多种材料表面上，如图10（b）所示。2017年，Chen Y等人［31］又开发了一款具备水空两栖运动能力的机器人，如图11所示，该款机器人质量175mg，为了实现在两种流体（空气、水）中的运动，设计了多种拍打方式，并开发了一个微型氢氧发生装置，通过点燃气体产生爆炸的方式使得机器人克服液体表面张力，实现了机器人在不同流体之间的变换。

上海交通大学从2009年开始MEMS仿昆虫FMAV的研究［32］，2015年基于SCM和MEMS加工工艺成功研制如图12所示的压电驱动仿昆虫FMAV，样机质量84mg，翼展35mm，拍打角度120o，共振频率100Hz，实现了毫克级压电驱动仿昆虫FMAV国内首次成功起飞［33］。

图10 哈佛大学对FMAV的应用拓展Fig.10 Application researches of the FMAV developed by Harvard University

图11 哈佛大学研制的水空两栖微型扑翼机器人［31］Fig.11 Hybrid aerial-aquatic FMAV developed by Harvard University［31］

图12 上海交通大学研制的毫克级压电驱动仿昆虫FMAV［33］Fig.12 Physical prototype of the piezoelectric driven insect-inspired FMAV in milligram［33］

2.3 电机驱动仿昆虫FMAV

电机驱动是一种比较成熟的驱动方式，因此，很多研究机构选择电机作为仿昆虫FMAV的驱动装置。由于个头较大，因此以传统电机作为驱动装置的仿昆虫FMAV往往拥有较大的负载能力，可以机载电源和各种传感器，实现更多的功能。

从2005年开始，代尔夫特大学就开始了仿昆虫FMAV的研制——DelFly系列样机［34-36］。DelFly采用微型电机驱动，通过四连杆将电机的旋转运动转化为翅膀的往复拍打运动，翅膀采用X翼结构，并带有尾翼，如图13（a）所示。第一代样机DelFly I质量21g，翼展50cm，实现了机载摄像头飞行。2007年，第二代样机DelFly II质量16g，翼展28cm，实现了盘旋和前飞，前飞速度达到7m/s，续航时间达到15min。2008年，代尔夫特大学研制出了新一代缩小版的样机Delfly Micro，由锂电池供电，机载微型摄像头，整个样机质量仅为3.07g，翼展10cm，续航时间约3min。Delfly Micro获得了2009年的吉尼斯世界纪录——世界上最小的机载摄像头的飞行器。2013年，在DelFly II的基础上，代尔夫特大学成功研发了DelFly Explorer［35］，将无刷电机用线圈代替，大大减轻了系统的质量，使用副翼代替尾翼从而获得更好的气动性能。DelFly Explorer携带了多种电子设备，包括电源、自动驾驶仪、气压计和微控制器等。值得强调的是，这款飞行器机载了质量4g的立体视觉系统，能实现避障功能，如图13（b）所示。DelFly Explorer整机质量约20g，在无外界控制条件下可依靠立体视觉系统实现自主飞行达9min。DelFly Explorer是世界上第一台拥有自主飞行能力的FMAV。2018年9月份，该团队在Science发表了一篇论文［36］，展示了一种新的四翼扑翼机器人，如图13（c）所示，将其命名为DelFly Nimble，尽管设计的飞行器是果蝇的55倍大小，但该款机器人不仅成功地模仿了果蝇超灵活的飞行机制，而且单次充电最大飞行距离长达1km，速度可达25km/h，可以悬停在半空或执行各种极端动作，如俯冲和空中打滚。DelFly Nimble使用具有连续推力的转子，可以支持协调的机翼运动。

图13 代尔夫特大学研制的仿昆虫FMAV——DelFly［34-36］Fig.13 DelFly developed by Delft University［34-36］

2012年，美国航空环境公司在DARPA的资助下，成功研制了纳米蜂鸟机器人［37］，这款机器人是FMAV领域最成功的例子之一。如图14（a）所示，纳米蜂鸟机器人采用传统电机加绳传动驱动翅膀拍打，其中绳传动类似于传统的四连杆结构，但是比四连杆更加简单高效。翅膀的扭转运动通过绳传动以及机械限位装置实现，属于半主动控制。翅膜可以柔性变形，类似于真实的蜂鸟翅膀（相较于一般鸟类，蜂鸟的扑翼飞行方式更类似于昆虫）。纳米蜂鸟机器人机载电源设备、惯性传感器、通讯设备和微型摄像头，如图14（b）所示，总质量19g，翼展16.5cm，拍打频率30Hz，最大前飞速度能达到6.7m/s，续航时间4min，能实现远距离图传。值得强调的是，纳米蜂鸟机器人采用的是外部遥控控制，首次实现了仿生FMAV的悬飞和六自由度可控飞行，如图14（c）所示。

2013年，卡内基梅隆大学的Hines和Sitti［38］研制出了一种双电机直驱的仿昆虫FMAV，样机部件包括：两个电机、两个弹性单元、两个翅膀和简单的机身辅助结构。这款飞行器结构非常简单，每个翅膀与电机直接相连（电机内置齿轮减速箱），没有其他外部传动机构，翅膀采用被动扭转，如图15所示。在翅膀与电机连接的地方使用了弹性单元，能够储存能量，并能实现系统共振。通过电机信号的调制以及弹性单元的配合，该飞行器可以产生翻滚和俯仰力矩。最终的样机质量2.7g，翅膀长度7cm，拍打共振频率10Hz，升重比最大能达到1.4，在外置电源和开环控制条件下能实现带线起飞（不使用竖直导轨）。但是由于自身负载能力有限，这款飞行器目前很难实现机载电源和闭环控制。

图14 美国航空环境公司研制的纳米蜂鸟机器人［37］Fig.14 Nano Hummingbird developed by AeroVironment Inc［37］

图15 卡内基梅隆大学研制的双电机直驱仿昆虫FMAV ［38］Fig.15 FMAV driven by double motors developed by Carnegie Mellon University ［38］

2011年，康奈尔大学使用3D打印机制成了新型纸翼仿昆虫飞行器［39］，如图16所示。飞行器机翼由碳纤维框架和包裹在外面的聚乙烯膜构成，由3D打印技术制作，只需几分钟即可完成。机身设计能够搭载一台小型GM14引擎以及曲轴和铰链。机翼由减速齿轮箱驱动。整个飞行器使用碳素纤维框架，质量仅为3.89g，可在空中盘旋近90s。

图16 康奈尔大学研制的新型纸翼仿昆虫FMAV［39］Fig.16 The 3D-printed mechanical insect developed by Cornell University［39］

2015年，普渡大学Bio-Robotics实验室的Zhang等人［40］研制出了一款电机驱动FMAV。该飞行器每个翅膀的拍打运动分别由一个电机带动一个外置单级减速器产生，电机可以进行编码控制，如图17所示。翅膀的拍打轴与弹簧连接，起到储存能量和实现系统共振的作用。翅膀采用被动扭转，翅膀根部的Stopper结构能防止翅膀发生过扭转。在建立飞行器系统动力学模型时考虑了参数的不确定性和外部干扰，通过使用自适应鲁棒控制（ARC），实现了翅膀的瞬态轨迹跟踪。通过实验证明ARC可以成功实现很多参数的跟踪，如不同的幅值、偏置、频率和劈裂周期等。2016年，最终研制的样机质量7.5g，拍打频率超过30Hz，能成功克服重力起飞，并能实现力矩控制［41］。

图17 普渡大学研制的电机驱动FMAV［40-41］Fig.17 Motor driven FMAV developed by Purdue University［40-41］

2015年，韩国建业大学的Park等人［42］通过模仿甲虫，成功研制了一款无尾的仿昆虫FMAV，如图18所示。该飞行器通过使用曲柄滑块机构将电机的旋转运动转化为翅膀的拍打运动。为了实现“clap and fling”气动力机制，Park等人对传动机构进行了修正，使得翅膀能产生190o的拍打角度。该飞行器机载电源、伺服控制单元和接收器，拍打频率23～26Hz，能产生18～22g的升力，在稳定装置的帮助下，可以在空中保持数秒钟。2016年，在之前设计的样机基础上，Park等人［43］对仿昆虫FMAV进行了控制器的设计，通过独立控制两个翅膀的冲程平面，使得左右翅膀产生不对称的运动，进而产生俯仰、翻滚和偏航力矩。最终，通过远程控制器，可以实现仿昆虫FMAV的可控飞行。

图18 韩国建业大学研制的仿甲虫FMAV［42-43］Fig.18 Beetle-inspired FMAV developed by Konkuk University［42-43］

2017年，比利时布鲁塞尔自由大学的Roshanbin A［44］等人成功研制了一款电机驱动的双翼仿昆虫FMAV，如图19所示。样机总质量22g，翼展21cm，拍翅频率22Hz，其通过一种被称为“翅膀扭转调节”（wing twist modulation）的机构改变翅膀翼面弯曲，进而实现俯仰和翻滚两个自由度的稳定，目前并未对被动稳定的偏航轴进行主动控制。该样机通过调整拍翅频率来控制垂直高度，并基于PD反馈控制成功实现了机载电源下的15～20s的自主悬飞。

图19 布鲁塞尔自由大学研制的双翼仿昆虫FMAV［44］Fig.19 The hovering flapping twin-wing robot developed by Université Libre de Bruxelles［44］

2.4 电磁驱动仿昆虫FMAV

以传统电机作为驱动方式的FMAV往往体积和质量都比较大，很难做到真正意义上的“仿昆虫”。因此一些研究机构开始研究电磁驱动原理，设计出了各种微型的电磁驱动器，并成功应用于FMAV研究之中。

2009年，里尔大学与法国航空航天研究院合作，首次采用电磁驱动原理和MEMS技术，研发了一款非常小的仿昆虫FMAV。该飞行器的翅膀和机身采用MEMS工艺制造。飞行器由一个微小电磁直线驱动器（线圈和永磁铁）驱动。胸腔使用柔性结构制作，用于储存能量和实现系统共振［45］。2013年，其设计的“纳米飞行器”由背板、胸腔、线圈、永磁铁和翅膀组成，翼展3.5cm，质量22mg，共振频率约80Hz，实现了66o的拍打运动，如图20（a）所示［46］。2014年，最新研制的样机，如图20（b）所示，翼展3cm，质量22mg，拍打频率17.1Hz，实现了±40o的拍打角度，产生的平均升力（16.5mg）达到样机质量的75%［47］。虽然最终的样机没有成功克服重力起飞，但是为仿昆虫FMAV的研究提供了一个可参考的驱动方案。

图20 里尔大学与法国航空航天研究院研制的“Nano Air Vehicle” ［45-47］Fig.20 ‘Nano Air Vehicle’ developed by Lille University and ONERA［45-47］

2013年，普渡大学Bio-Robotics实验室开始研究一种新型的电磁驱动器［48-50］。如图21（a）所示，电磁驱动器主要包括楔形线圈、电磁弹簧、转子、扭转轴、机械定位销和驱动器机身。楔形线圈通电，产生的转矩作用在永磁铁转子上，实现翅膀的拍打运动。同时，电磁弹簧可以储存能量、产生非线性的刚度并实现系统共振。翅膀在气动力和惯性力作用下发生被动扭转，如图21（b）所示，产生升力。机械定位销的作用是防止翅膀发生过扭转。最终，研制的电磁驱动器质量2.6g，通过实验测量和理论计算可知，基于这种电磁驱动器设计的FMAV在24V交流电压作用下能实现升重比超过1［48-49］。2015年，实验室的Roll等人［50］利用这种新型的电磁驱动器成功制作了一款仿昆虫FMAV，如图21（c）所示。该飞行器的每个翅膀分别由一个电磁驱动器控制，拍翅共振频率超过70Hz，实现了克服重力起飞。

图21 普渡大学研制的电磁驱动仿昆虫FMAVFig.21 Electromagnetically driven insect-inspired FMAV developed by Purdue University

2012年，上海交通大学研制了一种基于MEMS工艺和电磁驱动原理的仿昆虫FMAV［51］。该飞行器采用超静定梁结构，如图22（a）所示，线圈中通入交流电，磁铁会受到交替的电磁力，从而带动翅膀实现往复拍打运动。基于SU-8材料和准LIGA技术制作了仿昆虫FMAV的背甲、胸腔、翅脉和机身结构，翅膜采用Parylene-C制作。最终的原理样机如图22（b）所示，质量144mg，翼展3.5cm，拍打频率120～150Hz，最大拍打角度约27o。但是，由于拍打角度较小，且翅膀几乎没有扭转运动，导致最终的样机并没有实现起飞。2015年，上海交通大学基于SCM和MEMS加工工艺成功研制如图22（c）所示的毫克级电磁驱动仿昆虫FMAV，样机质量80mg，翼展35mm，拍打角度140o，拍打频率80Hz，实现了毫克级电磁驱动仿昆虫FMAV世界范围内首次起飞［52］。

为解决仿昆虫FMAV尺度微小、装配难度大等问题，上海交通大学在2017年提出一种一体化的设计和制造方法［53］，将电磁驱动仿昆虫FMAV的传动机构、机身和翅膀根部集成到了单个部件之中，经过精确的折叠之后，一体化部件可以从平面状态转变为所需要的三维结构，并获得最终的一体化电磁驱动仿昆虫FMAV，该样机质量80mg，成功实现了克服重力起飞。

2.5 其他驱动方式仿昆虫FMAV

图22 上海大学研制的仿昆虫FMAVFig.22 Insect-inspired FMAV developed by Shanghai Jiao Tong University

图23 上海交通大学研制的一体化成型仿昆虫FMAV［53］Fig.23 The monolithically fabricated insect-scale self-lifting flapping-wing robot developed by Shanghai Jiao Tong University［53］

除了以上四种主流驱动方式外，科研人员还尝试了一些别的驱动方式。比如化学肌肉驱动（RCM）、电致伸缩聚合物驱动、热驱动和形状记忆材料驱动。例如，1997年，美国佐治亚理工的Michelson等人［54］使用化学肌肉研制了一款扑翼飞行器Entomopter，这款飞行器将燃料的化学能转化为机械能，为翅膀拍打提供动力，如图24（a）所示。2000年，美国斯坦福国际研究院和丹麦聚合物研究中心［55］研制了一种由电致伸缩聚合物驱动的仿生FMAV，如图24（b）所示，该飞行器利用共振原理储存能量，提高能量转化效率。2004年，香港中文大学和沈阳自动化研究所合作［56］，研发了一种毫米尺度的仿昆虫FMAV，如图24（c）所示，飞行器采用热驱动器作为动力装置，在温度交替变化情况下，热驱动器变形带动翅膀进行拍打运动。最终制作的样机实现了60～177Hz的拍打运动，但是不能产生足够的升力实现起飞。2012年，卡内基梅隆大学的Hines等人［57］将形状记忆材料（SMP）应用于FMAV中，用来主动控制翅膀的扭转运动，进而实现飞行器的升力调控，如图24（d）所示。

图24 其他驱动方式仿昆虫FMAVFig.24 Other driven methods of insect-imitated FMAV

3 关键技术

3.1 驱动方式

在仿昆虫FMAV的研究历程中，研究人员最先尝试的是静电驱动方式，虽然这种驱动方式的能量转化效率很高，拥有很快的响应速度，但是产生的驱动位移和驱动力往往较小，很难实现翅膀的大幅度运动，而且静电驱动往往需要很高的电压。因此，在后来的研究中很少有人再使用静电驱动方式。压电驱动方式响应速度快，驱动位移和驱动力较大，能量转化效率高，结构简单。哈佛大学利用压电驱动原理实现了昆虫尺度FMAV第一次克服重力起飞，更证明了压电驱动方式在昆虫尺度是一种非常优秀的驱动方式。但是，压电驱动也有自身的缺陷，比如压电驱动需要很高的驱动电压。虽然哈佛大学在电压转化电路上有了很大的突破［58］，但是离最终实现昆虫机器人机载电源和传感器并可控飞行，还有一段很长的路要走。传统电机驱动技术非常成熟，因此很容易被应用到仿昆虫FMAV的研究中。事实上，电机驱动的仿昆虫FMAV体积和质量都比较大，拥有更大的负载能力，科研人员因此也有了更大的发挥空间，比如集成多种传感器、机载电源等。最终的研究成果进一步证明了电机驱动方式在仿昆虫FMAV取得的巨大成功。但是，传统电机驱动的仿昆虫FMAV由于其尺度和质量的问题，很难做到真正意义上的“仿昆虫”和“昆虫尺度”。因此，近十年来，一些科研机构开始尝试设计缩小版的电机——电磁驱动器，他们利用电磁原理，将传统的电机进行了缩小和简化，研制了一些适用于昆虫尺度FMAV的电磁驱动器。

其他驱动方式也各有优缺点。化学肌肉驱动方式的能量转化效率较高，但是燃料的储存难度很大，机身辅助结构较复杂，导致整机较重，给飞行带来了很大的困难。介电弹性体产生的变形位移很大，驱动力较大，响应速度也较快，能量转化效率很高（60%～90%），但是需要的驱动电压非常高，往往需要几千伏甚至上万伏。热驱动方式虽然产生的驱动位移和驱动力都很大，但是能量转化效率低，响应速度慢，很难实现翅膀的高频高幅拍打。形状记忆合金与热驱动的性能大相径庭，主要问题就是响应速度慢。

3.2 胸腔结构

在仿昆虫FMAV胸腔结构的设计上，研究人员尝试了不同的传动机构。众所周知，昆虫翅膀的拍打运动是大幅度往复式的，而针对不同驱动方式的仿昆虫FMAV，其传动机构的设计也是不同的。在大尺度下（一般指电机驱动仿昆虫FMAV），传统机械结构的传递效率较高，加工可行性很高，目前比较成功的传动机构大致总结有以下三种：

（1）刚性连杆机构，将电机的旋转运动转化为翅膀的往复式拍打运动，例如DelFly系列样机；

（2）绳传动机构，绳传动使得系统的结构更加简单和紧凑，这也是纳米蜂鸟机器人取得成功的关键因素之一；

（3）齿轮减速箱，直接通过控制信号实现“电机+齿轮减速箱”的往复运动，例如卡内基梅隆大学研制的电机直驱仿昆虫FMAV（电机内置齿轮减速箱）和普渡大学研制的电机驱动仿昆虫FMAV（电机带动外置齿轮减速箱）。

随着尺度的缩小，表面力的影响相对于体积力会变得更加显著，传统机械结构中的“轴”和“齿轮”等传动方式效率低，加工难度大。研究人员在小尺度下（一般使用压电驱动和电磁驱动）对传动机构进行了大量的探索和尝试。目前比较成功的主要有以下两种：

（1）基于柔性铰链的连杆机构（包括平面连杆机构和空间连杆机构），体积小、质量轻、易加工、传动效率高，在小尺度下展现了很大的优势。哈佛大学在昆虫尺度仿生FMAV的研究中使用了这类机构，并取得了巨大的成功。上海交通大学通过对柔性铰链机构进行优化研究，实现所设计的传动机构串联刚度达到并联刚度的135倍，满足了高效传动的需求［59］；

（2）直驱方式，比如普渡大学研制的电磁驱动仿昆虫FMAV，采用了一种新颖的电磁驱动器，不需要额外的传动机构，可以直接驱动翅膀实现往复拍打运动，最终也成功实现了克服重力起飞。

3.3 制造方法

针对不同的仿昆虫FMAV，零部件的加工方法也是不一样的。较大尺度下，通常采用传统机械加工方法和3D打印等。例如美国康奈尔大学研制的纸翼仿昆虫FMAV，整个飞行器使用3D打印技术得到碳素纤维框架。3D打印技术在仿昆虫FMAV中的应用目前多限于打印飞行器的构型结构部件，打印以塑料材质为主，成本低廉，加工效率高效，得到的构件由于质量轻，在各类微型飞行器中得到了越来越广泛的应用。小尺度下，日本东京大学和法国里尔大学等研究机构采用MEMS技术去加工仿昆虫FMAV的零部件，尽管得到的实物样机都没能实现克服重力起飞，但提出的微型化制造方法和柔性铰链的设计思想对后来的研究产生了很深远的影响。加州大学伯克利分校和哈佛大学提出了SCM工艺，采用了多层叠合方法融合刚性结构材料和柔性薄膜材料，构建了以柔性铰链代替传统刚性铰链的方法，配合高精度冷加工激光器（纳秒、皮秒甚至飞秒），实现了压电驱动器、连杆机构、机身和翅膀的制造。

3.4 共振机制

仿昆虫FMAV尺度微小，对功率的要求很高。为了降低FMAV工作的能耗，提高系统的效率，很多研究人员在仿昆虫FMAV的设计中引入了共振机制。压电驱动器自身就是一个质量弹簧系统，配合柔性铰链和翅膀，可以组成系统级的共振机制，实现低功耗的要求，哈佛大学研制的仿昆虫FMAV采用了这种方式，将功耗降低到20mW以下。法国里尔大学将传动机构设计成柔性的超静定梁，使得FMAV在合适的拍打频率下可以实现系统共振。卡内基梅隆和普渡大学设计的电机驱动仿昆虫FMAV在翅膀拍打轴上引入了弹簧，能实现能量的储存和系统共振。普渡大学设计的电磁驱动器，引入了“电磁弹簧”，也起到了储存能量和系统共振的作用。总之，在仿昆虫FMAV的设计中引入共振机制，虽然在一定程度上可能增加系统的质量，但是可以让FMAV在有限的功率下实现更快速的翅膀运动，从而大幅度提高FMAV产生升力的能力。

3.5 控制方案

为了实现仿昆虫FMAV在空中自由飞行，研究人员提出了不同的控制方案。目前，绝大部分仿昆虫FMAV采用两种主流的拍翅方式：带尾翼（或副翼）的拍翅方式和不带尾翼的拍翅方式。带尾翼（或副翼）的拍翅方式采用“clap and fling”机制产生升力，并依靠尾翼（或副翼）来调整飞行的方向，例如DelFly系列样机，采用两对翅膀结合尾翼控制的控制方式，实现机载摄像头自主飞行。基于这种拍翅方式的仿昆虫FMAV自由度较少，一般只能实现俯仰、前飞和转弯等，飞行控制也相对简单。蜂鸟和绝大部分双翅目昆虫使用的是不带尾翼的拍翅方式，可以实现六自由度的位置和姿态调节，并能实现悬飞。这种拍翅方式在大攻角下工作，产生升力的机制比较复杂，主要包括延迟失速机制、转动环量机制、尾迹捕获机制和虚质量效应等［3］。研究人员基于这种拍翅方式进行了多种仿昆虫FMAV的设计，按照攻角的控制分类可以分为三种形式：主动控制、被动控制和半被动控制。在主动控制方面，加州大学伯克利分校进行了大量尝试，最终由于整体结构过于复杂，其研制的仿昆虫FMAV并没有实现起飞。即使到目前，基于主动控制攻角的仿昆虫FMAV由于结构的复杂性依然很难实现起飞。随着研究人员对昆虫飞行机理的进一步研究，昆虫飞行的被动扭转机制被提出，并成功应用于哈佛大学HMF的样机研制中，最终样机实现了成功起飞。随后，基于被动控制原理，研究人员提出了“劈裂控制”的概念，通过分别控制左右翅膀的复杂运动，实现了仿昆虫FMAV的六自由度可控飞行。在半主动控制方面，目前主流方案是通过控制翅膀的尾缘进而实现对攻角的调节，具体地：纳米蜂鸟机器人依靠绳传动和定位装置控制攻角大小，实现了六自由度的可控飞行；韩国建业大学的KUBeetle扑翼飞行器［60］与布鲁塞尔自由大学的Colibri扑翼飞行器采用无尾双翅的结构形式，通过舵机控制翅膀尾缘的位置变化来改变翅膀拍打过程中攻角的大小，从而产生控制飞行器姿态的控制力矩，成功实现悬飞；此外，代尔夫特大学最新成果Delfly Nimble采用无尾双翅的结构形式，利用舵机控制尾缘调节攻角，产生俯仰和翻滚的力矩，同时利用两者力矩的耦合产生偏航力矩，在转速转弯的运动中展现出和自然界果蝇相当的机动性能。

3.6 机载设备

对仿昆虫FMAV的研制，往往希望FMAV在拥有飞行能力的同时具备一定的携带负载的能力。大尺度下，使用传统电机驱动，系统质量较大，承载负荷的能力也较大。纳米蜂鸟机器人实现了机载电源设备、惯性传感器、通讯设备以及微型摄像头；DelFly Explorer飞行器实现了机载电源、发射器、接收器和多种传感器（比如气压计和自动驾驶仪等），并成功携带了质量4g的立体视觉系统。但是，随着昆虫尺度的进一步缩小，仿昆虫FMAV负载能力的降低，对机载设备提出了更高的要求。目前，研究人员已经开始进行微型传感器、微型电子电路设备和微型电源的研制，也取得了一定的成效。基于HMF，哈佛大学实现了机载光学传感器、红外传感器、简单的视觉传感器、微型陀螺仪和静电吸附装置飞行（每次只能机载单一设备）。在不久的将来，随着微型传感器、微型电子电路设备和微型电源的进一步发展，仿昆虫FMAV的研究也将取得更大的突破。

4 结束语

在过去的二十年，世界范围内在仿昆虫扑翼微飞行器领域取得了广泛而丰富的研究成果，在驱动技术、结构设计、制造工艺、自主高机动飞行控制以及实际应用等方面还有大量的创新空间。此外，由于仿昆虫扑翼微飞行器大都尺寸微小，受制于现有相关技术水平，目前市场上可用的电池、惯性传感器、控制器以及导航设备等在尺寸和质量上都很难满足仿昆虫扑翼微飞行器的机载需求。因此，为了将来实现仿昆虫扑翼微飞行器真正意义上的自主可控脱线飞行，先进材料、微型能源、微型惯性测量单元、微型导航与飞控单元以及微型无线传输单元等的发展对于进一步的研究将会起到至关重要的作用。