仿生无人机的创新与发展

林一平/ 上海交通大学，上海市 闵行区 100000

采用人工智能研制仿生无人机具备一些昆虫和飞禽的特质，拥有出色的短起落和垂直起落性能，尤其在低速、小型、微型、袖珍面优势明显，用途十分广泛而且能简化无人机的制造工艺，进行批量生产，降低成本，现已获得了成功，应用前景看好。

研制仿生型无人机一直是无人机研发发的重要领域，也是无人机小型化、微型化后颇具难度的研究课题。人类向往能够像昆虫和飞禽那样扑翼飞行已经有几千年的历史，然而由于受到时代和科技水平的局限，屡屡试验，甚至付出了生命代价，结果均以失败告终。

昆虫和飞禽扑翼飞行的魅力在于它能够以极小的力量产生升力托起自身重量，不需要跑道就可以离地升空；同时升空后的飞行期间没有噪声，不破坏自然环境；翅膀还能根据需要收放自如，收拢后也不影响昆虫或飞禽行走等；完全符合轻量、节能、环保、高效的现代理念，一些发达国纷纷投入力量从事这方面的研究，先后研制成功了一些仿生试验机和工程样机。

样机五彩缤纷

常言说麻雀虽小但五脏齐全。别看仿生型无人机体格小，但是它与大中型无人机相比结构系统不仅一样面面俱全，而且功能和用途还更胜一筹。 研制仿生型无人机不仅要求其外形酷似某一飞行生物，做到形似，而且应该具备该飞行生物的一些基本功能。其研制难点在于小微型化，不但结构要求小而轻薄，而且要求机载设备、系统精细化、精密化、集成化，需要微型传感器、袖珍芯片、微处理器、微型计算机等与之配套。这些均需要有一定的科技水平和工业基础，尤其是研发得益于微机电系统(MEMS)、微积分增财制造、压电致动器和低功率传感器等技术的进步。

依靠人工智能仿生设计的一种扑翼袖珍无人机如图1所示。它采用微电机驱动，全复合材料结构，机身比手指点还小。一对扑翼酷似昆虫的翅膀，不仅全透明，而且有清晰的骨骼支撑；不仅翅膀很薄，而且重量非常轻；它不仅可以收拢翅膀，而且还可以展开翅膀。开机后，扑翼几下就能够轻松脱离手指升空，然后自由飞行。

依靠人工智能设计的另一种仿蜻蜓结构的扑翼袖珍无人机如图2所示，其全复合材料结构体不仅符合仿生学，而且满足弹性力学。它采用微电机驱动两对翅膀，扑翼飞行。它体内安装有微型传感器和导航控制系统，能够去执行高风险的目标侦察和搜寻任务。它不仅做到形似，而且还做到神似。倘若不仔细辨别，以假乱真，普通人还真难以识别出其真伪。该蜻蜓的重量还不到一盎司(5.5g)，可拍摄高清晰度的照片，也可通过Wi-Fi控制iPad或智能手机。其机身里拥有20个传感器，能够采集速度、高度、姿态、气压、温度等数据，感知外界动态，稳定自身工况，自主巡逻，对目标监控，进行航拍，或特技飞行。

图1 仿生设计的扑翼袖珍无人机

图2 仿蜻蜓设计的袖珍无人机

图3 “机器蜜蜂”仿生袖珍无人机队

当今，随着无人机技术的成熟和性能提高，人们已不再只是看到秀高难度飞行技艺的单打独斗，大趋势是需要更多的编队飞行和协同行动。见到图3中的“机器蜜蜂”仿生型袖珍无人机已经形成机队。它们每个单体大小与铜币相当，安装一对扑翼，采用短柱型机身配三点立式起落架，能够依靠扑翼产生升力垂直起降。它们陆续升空后，能够在长机的带领下编队飞行去执行任务。它们围绕同一个目标，互相之间能照应和帮衬，并且保持协同和良好配合，圆满完成任务后一起返航。

类似的，人们从自然界中借鉴仿生原理，汲取灵感设计的无人机不胜枚举。世界上最先使用微型遥控无人侦察机的是驻阿富汗的英军部队。他们装备一种名为“黑蜂”的袖珍无人侦察机，外廓尺寸约为10cm×2.5cm，机身全部采用复合材料结构。它升空后能为地面部队提供重要的战场情报(图4)。该无人机装备了一部微型摄像机，可为作战部队反恐提供动态图像或是静态照片，士兵可以使用其对街角、围墙或是其他障碍物进行侦察，以预知这些视觉死角后方是否存在着潜在的危险。

高于生物境界

在研制低速、小型、微型、袖珍无人机方面，采用复合材料作为主航材，工艺简单，可去掉许多道繁复的中间加工工序，节省人力资本和物流成本，使工艺流程达到顺畅，浓缩性高、集成性佳，经济性好，非其他主航材及其工艺所能与之竞争。

复合材料在无人机制造中的优势在于比金属类制造工艺简单，成本低，容易形成批量规模。尤其在无人机研发初期投入省，见效快，风险低。在无人机研制中后期随批产量增加，成本明显降低。在模块化开发方面，对无人机系统集成、功能扩充、技术升级、性能提高方面带来诸多方便。

从图5的仿生型袖珍无人机设计中可见，这已经不是一般意义上的模仿或仿生设计，它在机身前后安装了二对扑翼，设置了四个机轮，机载设备就位于机身中央舱。既没有特指像某种飞行生物，又没有去刻意仿制哪一种飞行生物，而是集成数个飞行性能优良生物的诸多特点于一身，再加上人类智慧的结晶，形成一种超级仿生型无人机。这不同于被动对式的仿生设计，也不同于机械式的模仿设计，而是人类新一轮的创造。即体现了源于飞行生物，又高于飞行生物的境界。这才是基于人工智能研制的仿生型无人机的真正魅力。

图4 英军士兵放飞的“黑蜂”袖珍无人侦察机

图5 仿生设计的两对扑翼“袖珍”无人机

图6 仿蚊子设计的“袖珍”无人机

把这种超级仿生型无人机用于民用领域，批量生产装备的仿生型袖珍无人机可编队飞行去参加星空排字表演，去参加夜空灯光绘画，传播中华文明，传播美的文化，丰富市民的节日生活；可在农田低空作业，实施大面积播种；或形成人工蜂群去驱赶蝗虫保庄稼，保收成；也可担任赛场的裁判，去足球赛、橄榄球赛全场、全程飞，去除黑哨，公正执法；再去高山巡线，力保高压电力网安全畅通；深入抗震救灾第一线、深入抗洪救灾第一线速递急救药品、食品和饮用水；还可分别去送快递等。

把这种超级仿生型无人机用于军事领域，批量生产装备的袖珍无人机能很好地进行人-机对话，人-机协同。一架飞机能够携带数十架仿生型无人机，在战区空域投放后，可以长僚机编队方式突防，也可以实施“狼群战术”，轮番进攻，在短时间内大量消耗敌方防空火力，深入纵深袭扰敌方，破坏管线、电站、水库、弹药库，瘫痪指挥中枢，并围歼守敌。

促进交叉融合

从上述仿生无人机的研发中可见，经过一些机型的发展在技术上已经有了不小的改进与完善，然而要达到代际式的提升，还必须要有实质性的科技进步，甚至技术跨越。

现以目前研制中的仿生无人机为例，虽然外形已经接近仿生对象，翅膀等也基本具备扑翼飞行功能，但是机身却依然是刚体，既缺乏柔性，又缺乏弹性，给一些特定场合(如需要在灌木中或峭壁上安全起降，需要在丛林中穿行)多栖活动带来不便和麻烦，有必要采用可变形的软体机身与之匹配，这实际对航空科技提出了新的、高难度的挑战。

然而4D打印智造却可以助力仿生设计的袖珍无人机，见图6。4D打印智造材料正在超越3D打印领域，并会根据自身所处的环境需要进行某种转换。它比3D打印更进一步，使用高端设计和特殊材料来打印机体，使机体在环境条件(如温差)变化下会随之改变形状，从而获得许多高级应用。基于这项技术的4D打印与3D打印有一个很大的不同之处， 在室温22.8℃～90℃区间，该材料的刚性调节可以超过100倍，并能很好地控制变形，并达到减震效果。期间，该类材料可重新成形，以用于各种目的。即可以暂时变形，转变为任何形状。经加热，其能再依据技术要求恢复原始形状。或将根据需要做再次改变，应用于飞机或无人机设计，应用于需要改变性能的机身、机翼等部件，既能在遭到破坏或被击中时保持刚性，又能像海绵一样变软以吸收震动等。

现已研制成功的一种仿蚊子袖珍无人机(见图7)的机身为柔体结构，飞行时能够自行展平，一爬行时能够自由弯曲；能与6条腿协调迈步行走；其机背可放置收拢后的翅膀；机首可安装袖珍传感器、微型雷达和摄像机；降落手指上能做到四平八稳。其不仅能单机执行侦察任务，而且编队飞行时可一面发出烦人的声响，恐吓敌人，另一面可多波次袭扰敌方人群休息，使其丧失战斗力。

现今仿生设计的袖珍无人机大多属于微米级或毫米级机器人范畴，主要依靠物理、光学、磁或射频线束来提供功率、控制和处理，这在一定条件下限制了它们更多的用途。目前尚缺可以灵活执行复杂任务，且结构系统完整的微米级或毫米级机器人系统。

应用人工智能进行仿生型无人机的设计促进了多学科、诸系统的配套及整合，尤其是加速了机载元器件的微型化、精细化、集成化的进程。丰富了无人机结构设计形式、机构设计内容的多样化，使之更科学、更合理。达到良好的机械性能与成熟的工艺性、结构轻量化三者之间高度统一。这些既需要进行多学科的交叉与技术融合，新科技的注入，又离不开大量工程实践的经验积累。包括AI参与的复材3D 打印量产降本，引入4D打印超材的可调性、可重构性和可部署性，在灵巧化、纳米化、信息化、大数据等方面为仿生无人机研发做出新贡献。