但载人扑翼飞机至今未有长距飞行成功的先例。在1991年的多伦多大学载人扑翼机实验失败后,有学者分析认为,在扑翼飞行器设计中,重量和尺寸立方成正比:当实验飞机增加了驾驶人员和操纵设备后,重量增大了76倍,而飞行器尺寸只是变成原来的4倍,增加的升力远远不能平衡增加的重量,所以不能真正实现飞行。到目前为止,扑翼飞行器几乎没有载人方向的研究。
自20世纪以来,微型扑翼飞行器逐渐吸引研究者的关注。陈亮认为,早期对扑翼飞行器的研究主要集中在机构、运动姿态、外观等的简单模仿上,而对扑翼气动特性的研究则开展较少。
难点▶▷
扑翼飞行应用
缺理论等支撑
陈亮指出,近年来,虽然在实物样机和理论分析方面取得了初步的成果,但要想完全理解扑翼飞行的高升力机理,并将其应用到人造飞行器领域,目前仍存在巨大挑战。
“仅就扑翼运动规律而言,看似周期性上下扑动,实际上还叠加了俯仰、扭转、折叠及复杂的柔性变形,这是一种极其复杂的空间运动,翼面上每一点的气动力都是随时间和空间位置而变化的。”陈亮认为。
另外,他还指出,扑翼飞行模式在气动力特性的很多方面与其它飞行模式存在明显区别,不同生物在几何结构和运动模式上也存在很大差异,“很难用统一的理论对其描述。总体而言,有关扑翼飞行机理的研究还很不完善。”陈亮在其博士论文中写道。
陈亮认为,仿生扑翼机器人涉及仿生学、非定常空气动力学、微机械学、微电子学等多个先进学科,而人类对这些学科的研究目前还处于初始阶段。其中,核心问题在于,“传统的稳态空气动力学理论在解释鸟类和昆虫扑翼飞行原理的时候遇到了极大障碍,采用传统理论计算得出的升力根本不能够克服飞行生物自身的重量”。
而事实上,通过对鸟类和昆虫飞行能力的大量观察表明,飞行生物扑动翅膀时所产生的非定常升力,往往达到定常值的2—3倍,不仅能完全用来平衡昆虫的体重,还可以用来实现极其复杂的高难度机动飞行。
除了理论方面尚待突破外,仿生扑翼机器人还存在材料和能源的问题。陈亮介绍,蜻蜓、苍蝇等昆虫的翅膀都是由质量非常轻的网状架构和薄膜材料构成,对于这类超轻质、高强度、高柔性生物材料的组成、理化方式和机械性能,我们尚缺乏足够了解。
国家自然科学基金委工程与材料科学部副主任王国彪在关于仿生机器人研究现状的综述中提到,国内研究人员也始终关注空中仿生机器人的发展动态,在这方面的基础理论和应用上做了大量的研究工作。其中南京航空航天大学通过非定常涡格法的计算,分析仿鸟复合振动的扑翼气动特性,并且据此制作了几种不同大小和形式的仿鸟扑翼飞行器。
王国彪还表示,北京航空航天大学长期从事昆虫飞行理论研究,通过试验观测、理论计算、模拟仿真的方法研究昆虫飞行、悬停、转弯等动作的实现机理,为微型扑翼飞行器的设计提供了理论依据。
如何做成的
“蝙蝠机器人”的机翼由具有高延展性的柔性硅胶膜制成,仅56微米厚;而骨架由碳纤维构成;整体重约93克,翼展约47厘米。
有何独特性
目前,“蝙蝠机器人”可以成功直飞30米,其通过调节左右翼和尾部的关节,使薄膜变形,从而达成自主飞行。这些关节都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。
能有啥作用
能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手,它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁,或者在危险地域进行侦查帮助救灾。
未来会怎样
传统仿生机器人存在“形似而神不似”的问题。目前,学界正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效能量转换的类生命系统方向发展。
延伸
那些神奇的仿生机器人
1 机器苍蝇
2013年,哈佛大学团队研制出“机器苍蝇”,重80毫克,翼展仅3厘米,翅膀振动频率为每秒120次。其飞行运动原理和苍蝇非常相似,可像苍蝇一样在空中悬停、转弯;而且,其左右翅膀可单独控制,极大地提升灵活度。
但“机器苍蝇”尚无法解决电源问题:因现有电源最轻的也达到了0.5克,是机器苍蝇体重的数倍,所以目前只能用一根超轻铜线给机器苍蝇供电,这根线同时用于传递控制信号。
2 机器鱼
水下仿生机器人是从模仿鱼类游动开始的,从最初利用电机驱动机械系统模仿鱼类尾部的摆动实现推进。推进模式从早期的身体/尾鳍推进(BCF)发展到中鳍/对鳍推进(MPF),提高了仿生机器人的推进效率和机动性。
3 机器蛇
蛇形机器人由于其细长的形体结构以及独特的运动方式,能够跨越窄沟和进入空洞,具有很强的环境适应性和地面运动稳定性。经过几十年研究,蛇形机器人由最初实现仿蛇的基本运动,发展到具有避障、攀爬、翻滚以及水中游动等多种功能,并具备一定环境感知能力。