仿生扑翼飞行器发展现状与关键技术分析

2020-11-29曹嘉睿

科技传播 2020年4期

关键词：鸟类飞行器材料

曹嘉睿

仿生扑翼飞行器，又称扑翼机，是模仿鸟类和昆虫等生物的飞行模式，通过扑动翅膀产生升力和动力的飞行器，集仿生学、空气动力学分析、机械结构分析、能源、通信、控制等多学科交叉技术于一身,有广阔的发展前景[1]。

1 发展现状

目前的扑翼飞行器主要还停留在实验室测试阶段，目前有几个较为典型的研究成果：

1.1 蜂鸟飞行机器人

该飞行器由美国DARPA 计划资助，是一款真正意义上的纳米飞行器[2]，其研究起始于2005 年，并先后于2006 年、2011 年推出第一、二代产品。第二代产品“Nano”外形上达到了翼展16cm，重量19g，装备了具备全帧拍摄功能的微型摄像系统和高度灵活的机械运动功能，可以在三个维度上实现倾斜、滚动和旋转以及静止悬停飞行，飞行速度可以达到每小时11 英里。在机械实现上，该型号扑翼机使用四连杆和绳结构来实现拍动结构，结合翅膀运动实现姿态控制，无需尾翼参加。虽然该飞行器真正做到了像蜂鸟一样飞行，但由于其续航时间短、控制系统不完善、鲁棒性差等缺点，尚不能投入到实际监视和侦察任务。

1.2 麻省理工学院的Phoenix 扑翼机

该扑翼机为了减小起飞重量采用碳纤维作为机身框架，其巨大的双翼使用柔性材料作为骨架，可以在飞行时提供超过300W 的动力。并且由于巧妙地集成了固态惯性测量、无刷电机、钛焊四连杆传动装置等多个模块的功能，用户可以通过手动控制实现大约4m/s 的水平稳定飞行。但由于柔性架构控制非常复杂，建模仿真工作难以完成，因此其无法完成复杂动作。

1.3 德国Festo 公司的SmartBird

Smartbird 由德国festo 公司研制，在外形上与海鸥十分相似，其身体内部设置有两个与蒸汽机车牵引的火车车轮类似的旋转轮，这一功能使得smartbird 不仅可以上下拍打翅膀，还可以按照特定角度扭动。通过改变翅膀的朝向，可以调节该飞行器的升力大小。除去巧妙的双翅设计，smartbird 的尾巴还可以提供上升、滚动和旋转的控制作用。总体来说，由于采用了巧妙的机械结构设计，该飞行器的机电效率非常高，空动效率则可以高达80%。

1.4 美国伊利诺伊大学香槟分校的Paranjape 蝙蝠机器人

该扑翼机的亮点并不在于其本身的机械结构，而是在于其精妙的控制系统[3]。为了减少姿态控制所需的参数量，研究人员在模拟飞行中提取了“关键自由度”作为运动特征并使用了主成分分析法对其进行降维处理，从而达到了系统简化的目的。这种简化算法的方式虽然有利于降低功耗和计算成本，但却在一定程度上损害了系统的稳定性。

1.5 加州理工学院的Microbat

该校研究人员通过研究调查发现，模拟生物材料在面对风动实验时的表现完全无法与生物翅膀相比较。因此他们放弃了使用复杂的生物模拟材料，而是将研究方向转为通过设计合理的机械结构与电路系统来产生更大的功率：他们使用镍铬细胞供电系统代替传统的镍铬N-50 电池，在减小质量的同时增加了供电性能。

1.6 加州大学伯克利分校的H2bird 的微型扑翼飞行器

该款飞行器采用硬度更大、密度更低的碳纤维作为机体材料，并采取“滑翼+扑翼”的混合模式作为自己的飞行模式。为了更加准确和灵活地进行控制，他们采取了“惯性导航+地面基站视频导航”的方式进行控制，并在尾部实现了独特的电机和升降舵设计，大大提高了该扑翼飞行器的灵活性。

2 关键技术分析

即便在扑翼机领域已经取得了一定的成果与成就，但距离生产出具备实际应用价值的扑翼机还有很长的路要走。从宏观上看，我们可以将目前扑翼机研究中所面临的困难大致分为四类：空气动力原理问题、能源问题、外形与材料问题、通信与控制问题[4-5]。

2.1 空气动力学基础

一般认为飞行器的研制需要经过空气动力学研究-建模-仿真-试生产-测试-改进的过程。而与普遍意义上的飞行器相比，扑翼飞行器是一种模仿昆虫或者鸟类进行扑翅运动来产生动力和升力的飞行器。但昆虫和鸟类的翅膀并非是当前飞行器普遍拥有的流线型机翼，而是羽翼或是平面薄膜结构，这些结构在扇动、扑动时会引空气流动，造成不同于周围空气的不稳定气流，这是一种非常典型的低雷诺系数情况下的空气动力学问题，而当前科学界对该问题的研究并未取得可见的进步。因此，扑翼飞行器的研制缺乏坚实的理论基础，大多都是工程试错的产品。因此，我们不应急于寻求工程实现上的突破，应该稳扎稳打，结合生物科学技术逐步揭开扑翼飞行的空气动力学机理，在此基础上实现更加实用性的扑翼飞行。

2.2 飞行动力和能源问题

纵观当今科学发展各个分支，不管是航空航天的燃料限制，还是新能源汽车的动力来源，我们不难发现绝大多数工程问题都归结于能源问题，两次工业革命的本质也是能源的进步与能量效率的提高。扑翼飞行器需要更小的外形、更轻的质量、更高的效率、更小的能耗，这就对扑翼飞行器的工业设计有了进一步的要求。

该问题绝不仅仅是扑翼飞行器本身的问题，实际上所有仿生学科、医工交叉学科都面临着同样的问题：如何高效率地利用能源。我们可以看到候鸟可以在没有任何能量摄入的情况下持续飞行几十甚至几百公里，这种对于能量的高效率利用是所有从业者需要揭开的原理。

2.3 翼形和材料

毫无疑问，扑翼飞行器的机翼设计在整个系统的外形设计中占据着最为重要的位置。该设计既包含对机翼材料的讨论，也包含对机翼形状、机翼数量的讨论。以“仿生鸟”为例，大型鸟类在高空飞行中以滑翔为主，振翅频率低，翼展大；而小型鸟类（例如蜂鸟）的飞行模式则是以高速振翅为主，翼展很小，行动更加灵活，并且能够向后飞行。再如对机翼材料的讨论，是要寻求更加坚硬、不易变形的材料，还是要使用更加柔韧且具有一定强度的材料，也是研究者所要考虑的。当然，我们研究实际鸟类的飞行模式并不是要完全模仿鸟类，而是探究其运动的背后蕴含的机理。

2.4 通信和控制系统

现代飞行系统中，除去必要的机械系统来完成基本的飞行功能，通信系统与控制系统的地位同样重要。就控制系统而言，顾名思义，指的是飞行器赖以安全、平稳、快速飞行的系统。姿态控制始终是飞行器控制中最关键、最重要的任务，实际上，之所以在今天大疆可以成为无人机市场的巨无霸，恰恰是因为其高度智能的通信与控制系统。PID 控制算法是目前无人机最为普遍的控制实现思路，该思路基于控制原理，将比例、积分、微分环节引入闭环控制，实现无人机更稳定、更快速、更精确的飞行。

除去控制系统，现代飞行器还需要高度发达的通信系统。通信系统的意义主要在于两个方面：环境信息的及时交互和控制信息的及时传达。正如前文所说，要想实现更加精准的控制，需要对多种环境信息进行数据整合与处理，如果飞行器携带的处理器无法完成及时的数据运算（例如深度神经网络），则可能需要飞行器实时地上传数据到云端，由服务器完成计算后重新传输回飞行器。

不论是何种系统，一旦涉及大规模数据的处理就需要较为强大的处理器，随之而来的就是更大的功耗。但由于体积和重量限制，扑翼飞行器尤其是微型扑翼飞行器注定不可能将体积缩到很小。因此这是扑翼飞行器发展道路上的一只“拦路虎”。