微纳扑翼飞行器前沿动态综述与启示建议

路 翔，席 翔，吴宇列，吴学忠，肖定邦

（国防科技大学智能科学学院，长沙 430074）

1 引 言

21 世纪以来，随着计算机集成技术、材料科学、空气动力学、微纳制造与人工智能技术的不断进步，对机器人的研究正朝着微型化和智能化的方向发展［1-2］。以美国为首的西方国家在军方项目的支撑下已开展了二十多年的微纳机器人研究，并积极推动微纳机器人在未来无人战场的作战应用论证。1997 年，美国国防部预先研究计划局（DARPA）发布了微型飞行器（Micro Air Vehicle，MAV）［3-4］项目，发展最大线性尺寸为15 cm 或以下，运动半径为10 km，峰值速度超过13 m/s，运行时间超过20 min 的微米级别机器人。2005 年，DARPA 宣布了“纳米飞行器”项目，该项目要求10 g 以下的飞行器，最大尺寸为7.5 cm，能够飞行1 km以上。2018年，DARPA启动“短程独立微型机器人平台”（SHRIMP）［5］项目，研发微米-毫米尺寸、质量为数克、不系绳的微型机器人，用于隐蔽侦察、灾后搜救、基础设施检查、火星表面探索等任务，以此来推动颠覆性技术的发展，为美军抢占未来无人作战“制高点”提供技术储备。

传统界定上，微纳机器人指的是尺度在微纳米级别（几纳米至几百微米）的微型机器人，本文对微纳机器人的界定主要根据机器人的特征尺寸：特征尺寸在纳米量级，整体尺寸在纳米/微米量级的机器人界定为纳机器人；特征尺寸在微米量级，整体尺寸在微米/厘米量级的机器人界定为微机器人，因此微机器人包含了传统界定上的微米尺度的机器人和厘米尺度的微型机器人。

微飞行器是微纳机器人中具有广阔应用前景的一类，目前广泛研究的有固定翼［6］、旋翼［7］、扑翼［8］三种运动形式的飞行器，在宏观的军民通用航空领域，固定翼飞行器和旋翼飞行器性能优越，应用广泛，但随着飞行器整体尺寸的缩小，在低雷诺数的条件下将难以产生足够升力并保持稳定，而扑翼飞行方式［9-10］在微小尺度下可以产生足够的升力，拥有更多的优势，因此微型扑翼飞行器成为微飞行器领域研究的热点。

当前，以哈佛大学、华盛顿大学、上海交通大学、国防科技大学等为代表的国内外高校已研制出多种微纳机器人样机［11-14］，受尺度、能量与载荷等条件制约，研究水平总体处于实验室阶段，其中，微飞行器由于运动灵活、易渗透、越障能力强等优点，成为众多机构研究的热点。本文主要对微纳扑翼飞行器的结构设计、加工工艺以及能源驱动的发展态势进行综述。首先介绍了微纳扑翼飞行器的概念和气动力学分析；其次讨论了微纳扑翼飞行器不同的传动结构、加工工艺以及能源驱动方式的机理特点；再次对微纳扑翼飞行器的应用潜力和发展态势挑战进行了概括；最后对微纳扑翼飞行器在未来需重点研究的方向给出建议。

2 微纳扑翼飞行器的气动力学分析

2.1 双翅目昆虫飞行机理的研究

昆虫一般具有体形微小、运动灵活、感知能力灵敏的特点，还能实时监测周围环境，进行精准定位，并在复杂的气流环境中始终保持稳定运动。双翅目昆虫是扑翼飞行类昆虫的典型，如图1所示，双翅目昆虫蚜蝇在飞行时的运动主要由两部分组成：扭转运动和拍打运动，升力是在两种运动的共同作用下产生的。

拍打运动时翅膀绕着拍打轴线旋转，拍打轴线与扭转轴线垂直并且通过翅根，采用“上冲程”和“下冲程”来描述翅膀的上下拍打运动［15］，在飞行的过程中，蚜蝇通过胸腔的快速收缩使翅膀产生拍打运动。扭转运动时翅膀绕着扭转轴线摆动，扭转轴线沿翼展方向和翅前缘相关联；扭转运动主要由向外扭转和向内扭转组成，蚜蝇翅膀的扭转运动完全可以依靠气动力和惯性力的作用共同产生，而无需额外的肌肉去提供能量，在扭转运动中，飞行肌肉主要起到控制扭转角度的作用［16］。

微型扑翼飞行昆虫的飞行运动是一种低雷诺数下的飞行状态，采用稳态空气动力学的原理无法解释，需用非定常空气动力学原理来解释扑翼飞行时产生高升力的机制，当前主要有打开-合拢机制（Clap-Fling）［17］、延时失速机制（Delayed Stall）［18］以及尾迹俘获机制（Wake Capture）［19］三种机制。

（1）打开-合拢机制

1973 年，Sane S P［17］在研究大黄蜂翅膀运动规律的基础上提出了“打开-合拢”机制。该机制指出在扑翼飞行时，昆虫的翅膀拍打至上冲程极限处并保持两翅膀平面互相平行，然后从上冲程至下冲程过程中绕翅膀的后缘迅速地打开，打开到一定的角度后，两个翅面彻底分开作平动，因为翅膀打开迅速，导致翅膀周围的气流无法绕过翅膀前缘来到翼面上方，在翼面上会形成一个提供升力的负压区，如图2 所示，且形成时的升力大小主要取决于翅膀打开的角速度和角加速度。

（2）延时失速机制和前缘涡

1996 年，Ellington 等［18］通过烟雾来可视化真实气场流动，对鹰蛾扑翼动作进行观察，发现在快速平动的过程中翅膀上方会形成一个低气压区，且随着翅膀扭转角的增加，流过翅膀的气流漩涡在穿过前缘时分离，但在到达后缘前重新附着。由于流体重新附着，流体继续从后缘平稳流动，这种状态循环维持。在这种情况下，因为翅膀在较大的偏转角下变换，赋予流体更大的向下动量，从而大大提高升力。图3 为二维线性平移与三维扑动平移的比较，翅膀在平动过程中，涡旋沿着前缘和后缘交替脱落。当翅膀扑动时，前缘涡的大小趋于稳定，后缘没有产生额外的涡量，翅膀传递给流体的净向下动量会产生下洗流，导致稳定旋转翅膀上净空气动力的恒定值略微降低。研究表明，前缘涡是昆虫翅膀产生的气流及其产生的力的重要特征。

图3 二维线性平移与三维扑动平移的比较Fig.3 Comparison of linear translation in 2D and flapping translation in 3D

（3）尾迹俘获机制和翻转效应

Dickinson 等［19］研究还发现在翅膀拍动的过程中，会交替产生一组升力峰值，如图4 所示。两个峰值产生的原因有差异，第一个峰值是拍动翅膀时扰动的空气在尾部形成气流被俘获引起的，称为“尾迹俘获”，第二个升力峰值是由于翅膀快速扭转拍打而产生的，称为“翻转效应”。

图4 翅膀拍动过程交替产生的升力峰值Fig.4 The lift peak produced by the wing beat process alternately

2.2 扑翼飞行的空气动力学

翅膀是决定扑翼飞行性能的关键因素，翅膀的形貌结构、质量分布以及面积大小等对飞行性能起着至关重要的作用。为方便定量分析翅膀对飞行性能的影响规律，需建立翅膀结构的参数化模型，真实的昆虫翅膀是复杂的三维结构，但其总厚度通常只有数十微米［20］，因此通常忽略其垂直翅膀平面的厚度，只考虑其翅面的几何形状和质量分布，如图5所示。

图5 双翅目昆虫翅膀平面轮廓和几何参数Fig.5 Plane profile and geometric parameters of the wings of diptera insects

使用等效的单自由度集总参数线性模型［21］对微纳扑翼飞行器的驱动器-传动-翅膀系统进行建模，如图6 所示，来描述驱动器、传动机构和翅膀的特性，该模型的特征为有效质量、刚度和阻尼系数。假设空气动力与局部动压成正比，弦向微元条绕翅膀绕拍动轴线的瞬时速度为(t)x，在每个微元条上产生的力（升力或阻力）为［22］

图6 等效的单自由度集总参数线性模型Fig.6 Equivalent single degree of freedom lumped parameter linear model

式中，ρ是空气密度，CF是力系数（扭转角φ的函数）。

由于昆虫翼流的不规则和高度三维特性［23］，假设由诱导流引起的φ的局部变化忽略不计，通过积分可得瞬时的升力和阻力为

式中，为翅膀的二阶面积矩回转半径的无量纲的参数，在Whitney 等［24］的实验中验证了升力系数和阻力系数与翅膀扭转角度φ存在关系

3 微纳扑翼飞行器的关键技术

3.1 结构设计

扑翼飞行器主要通过仿生和宏观机械结构微型化的方式进行结构设计，在设计中主要模仿对象是扑翼飞行的鸟类和昆虫，在传动机构方面主要以连杆结构［25-26］、齿轮系［27-29］以及绳传动［30］为主，如表1所示。

表1 微型扑翼飞行器的传动结构Table 1 Transmission structure of micro flapping wing vehicle

2015 年，韩国建业大学的 Park 等通过对甲壳虫的运动进行研究仿照［25］，研制出一款微型扑翼飞行器，如图7（a）所示，利用曲柄滑块机构作为扑翼飞行器的传动机构，将驱动机构的旋转运动放大输出为翅膀的拍打运动。2016 年，哈佛大学微型机器人实验室模仿鸟类飞行成功研制出一款质量为3.2 g 的无线扑翼微飞行器［26］，如图7（b）所示。机器人采用一对镜像对称曲柄滑块和附加连杆组成的Sarrus连杆作为传动机构，该款飞行器既能主动扑翼飞行又能被动滑翔飞行。

图7 连杆滑块机构传动的微型扑翼飞行器Fig.7 Vector diameter variation diagram

普渡大学［27-28］于2016 年成功研制出仿蜂鸟微型扑翼机器人，如图8（a）所示，该机器人采用高效减速齿轮系传动，质量约12 g，可实现无线起飞。国内西北工业大学研制的一款仿生扑翼飞行器［29］，如图8（b）所示，该仿生飞行器采用齿轮系统作为传动机构，全机质量为15 g，翼展20 cm，实现成功飞行8～18 s。

图8 齿轮系传动的微型扑翼飞行器Fig.8 Miniature ornithopter driven by gear train

2011年，美国航空环境公司［30］研制出仿蜂鸟机器人Nano Hummingbird，如图9所示，该机器人采用齿轮与绳传动相结合的方式，质量为19 g，翼展16.5 cm，扑翼频率30 Hz，可无线遥控飞行约4 min。

图9 绳传动的仿蜂鸟扑翼飞行器Fig.9 A rope-driven hummingbird imitation flapping wing vehicle

3.2 加工工艺

微型扑翼飞行器的加工工艺主要有激光切割与微装配［31］、智能复合微结构工艺（Smart Composite Microstructure， SCM） 与 pop-up 工艺［32-35］、MEMS技术［36-38］等，如表2所示。

表2 微型扑翼飞行器的加工工艺Table 2 Processing technology of micro flapping wing vehicle

激光切割与微装配工艺是制造微型机器人比较常用且经典的手段。2011 年，卡耐基梅隆大学的 Hines 等［31］通过仿生研制出一款微型扑翼飞行器，如图10 所示，该飞行器采用激光切割分别加工出翅膀和机身等结构，最后再进行微装配实现样机成型，样机质量约705 mg，未成功实现起飞。

图10 卡耐基梅隆大学研制的样机Fig.10 A prototype developed at Carnegie Mellon University

加利福尼亚大学伯克利分校从1998 年开始采用SCM 加工工艺研制微型扑翼飞行器MFI［32-33］，如图11（a）所示。但受微细加工技术与飞行原理的限制，MFI 未实现稳定飞行。2012 年哈佛大学基于SCM 工艺提出了一种整体制造扑翼飞行器的pop-up 工艺［34-35］，采用该工艺制得了一款质量为90 mg的微型扑翼飞行器，如图11（b）所示。

图11 采用SCM工艺研制的扑翼飞行器Fig.11 An ornithopter developed by SCM technology

法国的里尔大学研发了一款微型扑翼飞行器［36］，如图12（a）所示，该飞行器的翅膀和机身是基于MEMS工艺，采用SU-8光刻胶制造获得的，翼展3.5 cm，质量为22 mg，实现60°的扑翼角度。国内上海交通大学基于MEMS技术，采用SU-8光刻胶制作了一款扑翼飞行器［37-38］，如图12（b）所示。

图12 采用MEMS技术研制的扑翼飞行器Fig.12 An ornithopter developed by MEMS technology

3.3 能源驱动

在微型扑翼飞行器的驱动方面，主要以电机驱动［39-43］、电磁驱动［44-47］和压电驱动［48-56］为主，近些年一些机构还提出了一些新型驱动方式，如混合驱动［57］、介电弹性体驱动［58-59］等，如表3所示。

表3 微型扑翼飞行器的驱动方式Table 3 The driving mode of micro flapping wing vehicle

加州理工学院于1998 年开始研制微型扑翼飞行器MicroBat［39-40］，研制的样机如图13（a）所示，采用质量约3 g 可充电镍镉电池供电，利用微型电机驱动，实现最佳无线飞行时间42 s。代尔夫特大学于2005 年开始研制DelFly 系列扑翼飞行器［41-43］，如图13（b）所示，采用微型无刷电机驱动，微型锂电池供电。

图13 电机驱动的微型扑翼飞行器Fig.13 Motor driven micro flapping wing vehicle

2013 年美国普渡大学生物机器人实验室开始研制一种用于高频扑翼的电磁驱动器［44］，如图14（a）所示，并于2015 年采用电磁驱动器研制出一款质量为2.6 g的扑翼飞行器［45］，并实现样机的成功起飞。国内上海交通大学研究团队于2016 年研制出一款电磁驱动扑翼机器人［46-47］，如图14（b）所示。该机器人的质量为80 mg，翼展为 35 mm，采用电磁驱动控制，是当时公开报道的最小的电磁驱动扑翼机器人。

图14 电磁驱动的微型扑翼飞行器Fig.14 Electromagnetic driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学Wood 团队于2007 年研制出世界上首款成功起飞的压电驱动微型扑翼飞行器HMF［48-49］，采用PZT-5 系列压电片作驱动器，质量为60 mg，翼展30 mm；该团队通过对HMF 的改进，研制了运动解耦式扑翼飞行器Robobee［50-53］，质量为80 mg，翼展30 mm，可多自由度运动，并采用太阳能供电［54］，于2019年实现脱线起飞，如图15（a）所示。2018年，华盛顿大学的Yogesh 等研制了一款压电驱动微型扑翼飞行器RoboFly［55］，该款机器人采用横向布置驱动机构，如图15（b）所示，并通过使用激光器远程供电［56］实现了无线起飞。

图15 压电驱动的微型扑翼飞行器Fig.15 Piezoelectric driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学的陈宇峰［57］在Robobee 的基础上改进，给飞行器添加了集气室、四个平衡梁、浮力支腿以及相关电化学设备，如图16（a）所示，该款飞行器采用压电、浮力和爆破力的混合驱动方式，可实现水中浮游、冲出水面和继续飞行三种功能。2019 年，该团队还采用介电弹性体执行器（DEA）［58］驱动，研制了一款鲁棒性较好的微型扑翼飞行器［59］，如图16（b）所示。2021 年丰田中央研究所报道了一种新型无线射频电源［60］，可用于驱动昆虫仿真扑翼飞行器。其功率质量比密度为4900 W/kg，比等质量的锂聚合物电池高出5倍，并利用该系统，演示了1.8 g 飞行器的无线起飞，如图16（c）所示。2022年，布里斯托大学开发了一种液体放大拉链执行器（LAZA）驱动的微飞行器［61］，如图16（d）所示，飞行器机翼带有负电荷，机翼周围有电介质液体，正电荷交替转移到机翼两侧的壁上，使机翼摆动，翼展50 mm，飞行器最大速度 18 个身长每秒，功耗243 mW。

图16 其他驱动方式的扑翼飞行器Fig.16 Ornithopter vehicle with other modes of drive

3.4 系统级能力

微纳扑翼飞行器作为一个完整的机器人系统，其携带载荷的能力和续航时间是其未来投入应用的重要技术指标要求，当前研制的微纳扑翼飞行器主要分为仿蜂鸟型和仿飞行昆虫两类，其中仿蜂鸟型的微纳扑翼飞行器具有一定的载荷和续航能力，但其体积和质量较大，通常质量达数十克，翼展通常超过10 cm，仿飞行昆虫类的微纳扑翼飞行器体积和质量小，但其基本无负载能力和续航能力。

如美国航空环境公司研制出的Nano Hummingbird仿蜂鸟微型扑翼机器人［30］，该机器人质量为19 g，翼展16.5 cm，扑翼频率30 Hz，可无线遥控飞行约4 min，西北工业大学的宋笔峰团队设计的信鸽，质量约为200 g，翼展大约为50 cm，最大的飞行速度可达40 km/h，最长的续航时间为30 min，装备了高清的摄像头和GPS 天线以及飞行控制系统和卫星通信链。

哈佛大学仿蜜蜂微飞行器RoboBee X-wing［54］和华盛顿大学的仿蜜蜂微飞行器RoboFly［56］均采用光能供电实现毫克级扑翼微飞行器的无缆起飞，但受能源和质量限制，此类飞行器目前的负载能力和续航能力较弱。

未来投入应用的微纳扑翼飞行器通常质量为500 mg～10 g 之间，尺寸在1～10 cm 之间，这样的尺寸范围既保证机器人具有极高的隐蔽性，又能够搭载一定功能载荷，如图像探测、录像录音等功能，飞行高度需达3～5 m，飞行速度应与蜜蜂、蜻蜓等昆虫相仿，同时需要具备一定续航能力，持续工作时间需达数十分钟。目前所研制的微纳扑翼飞行器在系统级能力上尚未达到要求。

4 微纳扑翼飞行器发展挑战与应用

4.1 发展态势挑战

虽然微纳扑翼飞行器在设计方案、加工工艺、驱动方法、系统集成、感知与控制等方面取得了一系列进展，但距离实用化仍然有一定距离，主要面临以下技术挑战：

（1）微纳扑翼飞行器需要全新的设计方案，当前的微纳飞行器在技术路线和结构设计方案上限制了其进一步微型化和集成化，且噪声较大，在较安静的室内环境易暴露；

（2）微纳扑翼飞行器对仿生“功构一体”智能材料与结构的需求迫切，现有微纳飞行器的材料和结构通常功能有限，为了增加其功能需要叠加使用，制造组装过程复杂，与微纳飞行器苛刻的体积和质量限制产生根本矛盾；

（3）微纳扑翼飞行器对智能化感知与信息处理系统的集成化程度提出了苛刻要求，微纳飞行器既包含智能信息处理算法的软件集成，又包含机械、能源、传感等多个模块的高度硬件集成，是对当前微机电系统制造能力与综合集成能力的巨大挑战；

（4）微纳扑翼飞行器对高效率仿生能源供给与转换装置提出了迫切需求，微型化对能源的能量密度以及能源转换装置的转换效率都有比较高的要求，现有能源存储与转换方法难以满足要求；

（5）微纳扑翼飞行器的自主感知与集群控制难以实现，目前绝大多数微纳飞行器均只包含运动机构，其姿态测量和信息处理系统通常在超微机器人外部，更无法携带相关感知和探测载荷，主要原因是体积和功耗约束下负载能力极为有限，感知系统集成化程度低，要实现自主感知与集群控制非常困难。

4.2 应用潜力

相比于传统无人飞行平台，微纳扑翼飞行器具有体积微小、隐蔽性强、灵活度高等显著优点，开展微型扑翼飞行器的技术研究，具有以下几个方面的重大研究价值。

（1）微纳扑翼飞行器具有体积小、噪声低、运动灵活等优异特性，将极大提升隐蔽渗透侦察能力。可以多种渠道投放至敌区执行侦察，还可以依附于敌方的车辆、人员等载体渗透进入敌方内部，实现“无孔不入，无处不在”，获取常规手段难以得到的情报信息。

（2）微纳扑翼飞行器可依托于先进微纳制造工艺，实现低成本批量化的制作。单一机器人的负载能力有限，监测和攻击能力受限于携带载荷的种类和承载能力，集群化可以有效地提高微飞行器的攻击能力。此外，集群化的微飞行器通过构建区域网，批量投放至战场，可实现对战场态势的全天候监视。

（3）跨尺度的无人平台组合将是未来微型机器人应用的重点研究方向。微纳扑翼飞行器与传统无人平台优势互补，促进无人装备跨尺度融合发展，能充分发挥无人平台在未来战争中的效力。微飞行器载荷能力与续航能力有限，适合近距离的侦察、情报获取和定向攻击等任务，可用于补充中小型无人平台由于体积限制无法执行作战任务的场景，提升无人平台综合作战能力，促进无人平台多尺度体系能力的快速形成。

（4）在民用方面，微纳扑翼飞行器的应用潜力也是十分巨大。在智能检测方面，可广泛运用于农、林、牧、渔以及一些工业生产的巡检、安全保障等方面；还可用于复杂未知环境中的勘探、地图的测绘、考古以及灾后救援等。

5 微纳扑翼飞行器发展建议

聚焦我国未来在智能无人系统领域的发展需求，结合当前微纳飞行器在结构设计、加工工艺、能源驱动方法以及运动控制等方面所面临的挑战，给出了微纳飞行器未来发展的研究建议。

（1）体积超微型化

微纳机器人的核心优势就是体积小和质量轻，所以在微纳飞行器未来的发展中，需要牢牢把握这一点，研发出超微型的微纳飞行器，利用其极强的隐蔽性优势，在一些特殊环境（如战场、跟踪罪犯等）中灵活隐蔽地完成侦察、监听等任务。

（2）加工制造批量化与智能化

微纳机器人的另一个优势是单个机器人的材料成本普遍远低于大尺寸机器人，因此需要研发出针对微纳飞行器的批量化制造工艺，大幅度降低微纳飞行器的制造成本，同时加工过程应更加智能化，工艺流程、加工进度以及加工精度的控制应符合智能制造的要求，使智能微纳飞行器能更快投入生产应用。

（3）结构功能仿生化

围绕仿生结构“可自愈、自生长、自组织、自进化”的应用需求，构建用于提升微纳飞行器系统仿生功能的智能化综合平台，使结构设计和成型更加智能化，同时使微纳飞行器仿生优势进一步拓宽。

（4）供能驱动高效智能化

研发能量密度更高的能源，或是通过飞行器智能实时调节自身功耗来延长机器人的持续工作时间；研发更高效更智能的驱动方式来提高微纳飞行器的负载、运动以及续航能力。

（5）控制智能集群化

用于宏观环境下作业时，通常需要数个微纳飞行器合作完成任务，类似于蜂群，在单个微纳飞行器运动控制的基础上，通过布置多个微纳飞行器进行集群控制与协同控制，实现群体间的紧密合作；还可以通过对微纳飞行器分组搭载不同的传感器，进行信息的交流和综合，实现协同态势感知和信息共享，进而进行群体智能决策。

6 结束语

随着计算机集成技术、材料科学、空气动力学、微纳制造技术与人工智能技术的不断进步，微纳扑翼飞行器的研究已经取得一定的成果，但在微纳扑翼飞行器的高集成度、无线高效驱动、微型高密度能源供应、自主感知以及集群控制等方面仍有巨大的发展空间，未来微纳扑翼飞行器的发展与应用呈现以下趋势：（1）微型化，其核心是利用尺度优势，来提高其隐蔽性与战场适应性；（2）集成化，在单个飞行器上集成多种传感器与执行器，使飞行器多功能化，能够完成多种作战任务；（3）智能集群化，通过控制手段，使飞行器群体能自主地、高效协同地完成作战任务，合作完成单个飞行器无法完成的特殊任务（如联合侦察、集体杀伤目标、战场搜救等）；（4）能量致密化，研发能量密度更高的能源，或是通过降低飞行器的功耗来延长其持续工作的时间；（5）驱动高效化，研发更高效的驱动方式来提高微飞行器的负载和续航能力；（6）生产批量化，通过开发微加工工艺来实现飞行器的批量生产化，以降低制造成本。