仿生扑翼飞行器研究现状与发展前景分析

摘要：随着科技的飞速发展，自然界的飞行器如鸟类、昆虫等已经具备了更加先进的飞行技术，这也给我们探索飞行器的未来带来了更多的可能性。因此，我们需要从更广阔的视野来探索飞行器的未来，以及它们的技术优势，以及它们的应用前景。

关键词：仿生扑翼飞行器；研究现状；发展前景

引言

近年来，随着计算机技术、通信技术、微机电技术、人工智能等学科的发展，体积小、载重轻、速度慢的微型飞行器逐渐得到世界各国的青睐。1992年，美国兰德公司研究机构首次提出“微型飞行器”的概念，因本身具备便于携带、操作简单、机动灵活、安全性好的优点，广泛适用于军事和民用场合，已成为世界各国重点研究的热门领域。

一、微型仿生扑翼飞行器的特点

当前，微型仿生扑翼飞行器的研究正朝着更加精致、便捷、可以轻松携带、可以实现极端的低空飞行，以及更加敏捷的侦查、探测、追踪等功能前进。利用仿生技术，我们开发出了一种全新的微型飞机，它可以像鸟儿一样自由地在天上翱翔，它的体积极其紧凑，重量极其轻盈，价格极其实惠，操控极其便捷，有着先进的飞行控制技术、精准的导航功能、可以根据外部环境的变化实时调节飞行高度、姿势、躲闪障碍、保持足够的平衡、以及强大的数据收集与分析功能。

二、国内外研究现状及发展现状

（一）理论研究现状

1973年，Weis-Fogh利用其研究成果，开发出一种新的Clap and Fling机制，以更好地探讨定常气流中的升力，从而更好地描述生物如何利用扑翼运动来获得更大的升力，从而使得传统的空气动力学方法无法应用到扑翼航行器上。Weis-Fogh的研究成果为研究生物的爬行和悬浮等特性打下了扎实的根基，为更进一步深入研究和探讨这类航行器的开发打下了扎实的根基。1993年，Delaurier和veSt通过实际的风洞实验，成功地构建出一个可以描述鸽子扑翼运动的复杂的空气动力学模型，这一成果极大地推动了后期仿真飞机的开发。1999在过去年里，Weir s hyy和其他学者们致力于探讨低雷诺数条件下的微型扑翼飞行器的核心技术。同年，gies iNg将smith的定常机翼流体学原则普及到实践当中。北京航空航天大学的孙茂则利用n-s模拟技术来揭示昆虫的高升力形成的原因。昂海松博士在南京航空航天大学利用非定常涡流分析方法，对飞机的空中飞行行为进行了深入的探讨，而赵亚博博士则着重于飞机的运动学与智能材料。

（二）发展现状

1、蜂鸟飞行机器人

一款美国DARPA计划的最新款纳米飞行器，自2005年开始R&D，2006年、2011年分别发布第一代、第二代，它的第二代设计更加紧凑，翼展16cm，重量19g，配有一个拥有完整画面的微型摄影系统，还拥有极强的机械操控性，它既可以沿着三个方向进行倾斜、滚动、旋转，也可以进行静态悬停，让用户体验更加舒适的空中旅程。这款四连杆、绳结构的扑翼机拥有惊人的飞行速度，它的最高时速高达11英里，而且它的姿态控制也非常简单，续航时间也很长，系统也非常先进。因此它已经成为一种理想的飞行器，用于执行各种监视、侦查等任务。

2、麻省理工学院的Phoenix 扑翼机

这款扑翼机的机体结构设计精良，采用高强度的碳纤维构造，而它的宽阔的双翼则是由高强度的柔韧材质构建而成，它的动力输出高达300W，而且它还具备精密的固态惯性计量、无刷电机、钛焊四连杆传动系统装备，让操纵者只需要轻轻一按，就能够达到每秒4m/s的高速飞行。

3、德国Festo 公司的SmartBird

德国festo 公司开发的Smartbird，它的造型非常像一只海鸥，但它的内部却拥有两个像是用来驱动蒸汽机的火车的旋转轮，它的出现让smartbird既可以轻松地振动它的双翼，也可以根据需要调整它的姿态。smartbird 的双翼能够根据需要进行微调，从而实现对升力的精准掌握。此外，它的尾部也能够实现对上下运动的精准操纵，从而实现对航线的有效掌握。最终，这款飞行器的机械结构设计使其具有极佳的性能，其机载能量的利用率甚至能够超越80%。

4、Paranjape蝙蝠机器人是一种来自伊利诺伊学院香槟分校的先进技术

这款扑翼机最引以注目之处，除了它出色的机械设计外，更重要的是它出色的控制系统。通过将“关键自由度”作为运动特性，以及采用主成分分析法，可以有效地缩小姿态控制所涉及的参数，实现系统的优化。尽管采用此类简单的算法可以显著减少能源消耗与运行费用，但它也会对整个系统的可靠性造成不可忽视的影响。

5、H2bird 是一种由加州大学伯克利分校R&D的小巧的无人机

这款飞行器采用了具有极高硬度和极低密度的碳纤维材料，并以“滑翼+扑翼”和“惯性导航+地面基站视频导航”混合模式为基础，以此来提升其操纵精度和灵活性，而且在尾部还配备了一套独特的电机和升降舵，使其具有极强的操纵性能。

三、发展前景

（一）军用方面

在日常环境多变的复杂战场中，仿生飞行器在超低空雷达盲区内，可以用来进行侦察和监视，提高作战效率；还可以作为微型和侦察机的辅助手段，发现丛林、灌木中的隐蔽目标；充当通信媒介，为作战小分队提供通信支持；携带多种传感器，对战场周边环境、生态及污染等因素进行取样和考察；利用自身体积小、灵活性强的特点，可往返穿梭于微型狭窄地形，进行救援或者在室内对恐怖分子进行攻击等。

（二）民用方面

利用鹰隼的特殊鸣叫，我们不仅能够为机场提供有效的驱鸟任务，而且能够扮演一个安全的电子警察，有效地执法各种安全管理任务，比如：沿着国界的边界执法，在海岸线上的巡逻，在森林中的野生动植物的调研，甚至是缉毒、紧急情况的现场观察，航空拍照、输变电线的检验，环境的调研，气候的变化，森林的消防管理，家庭服务和表演活动。

四、结语

随着科技的不断进步，扑翼飞行这种技术日益受到重视，它不仅拥有较低的重量、较小的尺寸、更加灵敏的操控和更好的隐藏性，而且还可以满足未来的各种需求，加快了开发新一代高效的微型扑翼飞行器的步伐，将其应用于实际军事。由于中国的军事信息化正处于一个重要的转折点，未来将有更多的机遇和挑战来推动微型扑翼飞行器等先进技术的不断创新和应用。

参考文献：

[1]赵英杰. 仿生扑翼飞行器研究现状与发展前景分析[J]. 农机使用与维修，2023（3）：31-33. DOI：10.14031/j.cnki.njwx.2023.03.009.

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[3]徐杨. 仿生扑翼飞行器柔性翅翼及驱动机构的研究[D]. 上海：上海工程技术大学，2014.