沈海軍，余翼

（同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院，上海200093）

0 引 言

億萬年來，通過不斷的自然選擇，自然界生物具備了很多優(yōu)秀的特性和能力。例如鳥類可以在天空中自由地翱翔，通過翅膀可以精準(zhǔn)地控制飛行姿態(tài)；飛魚能夠從水下躍出水面，在空中滑翔以躲避天敵等。這些優(yōu)秀的能力對于人類發(fā)明創(chuàng)造具有很高的參考價值。20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家J.E.Stelle［1］首次提出了仿生學(xué)（Bionics）的概念。仿生學(xué)是一門致力于從自然生物系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)優(yōu)良的設(shè)計、將生物學(xué)和科學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起的學(xué)科。將仿生學(xué)應(yīng)用于飛行器設(shè)計上，其主要原理、結(jié)構(gòu)和外形效仿自然界生物的結(jié)構(gòu)，被稱作仿生飛行器。通過運(yùn)用仿生學(xué)原理，飛行器能夠獲得更好的飛行性能，同時自身結(jié)構(gòu)設(shè)計得到優(yōu)化。

仿生飛行器在研制過程中運(yùn)用到的思路有形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生、肌理仿生等［2］。其中形態(tài)仿生指從外在形態(tài)上對自然界生物進(jìn)行模仿，以獲得良好的氣動性能和飛行效率。例如盧吉·科拉尼提出了“流線型概念”［3］，為汽車設(shè)計、飛行器設(shè)計等領(lǐng)域的減阻和降低能耗作出了突出貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)仿生指從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上參考自然界生物，從而獲得更好的運(yùn)動控制能力、具備更好的機(jī)動性等。例如設(shè)計仿鳥類撲翼飛行器時，對鳥類翅膀上的骨骼和肌肉展開分析并加以模仿，從而得到更貼近鳥類翅膀的撲翼結(jié)構(gòu)［4］。功能仿生指以自然界中生物的一些特殊功能為靈感，將實(shí)現(xiàn)這些功能的原理利用到設(shè)計的產(chǎn)品中。例如鸮在捕獵過程中飛行噪聲非常低，分析這種現(xiàn)象的原理，有助于人們在飛行器降噪、風(fēng)機(jī)葉片與機(jī)翼的氣動和聲學(xué)特征的改善等領(lǐng)域有所啟發(fā)［5-6］。肌理仿生是對生物表面的微觀肌理進(jìn)行研究，從而增強(qiáng)飛行器氣動性能，側(cè)重于對表面材料的仿生學(xué)探究。例如鯊魚表皮上覆蓋了一層齒狀盾鱗，呈溝槽狀非光滑表面，可以減小阻力。運(yùn)-7飛機(jī)表層運(yùn)用了類似的“粗糙”肌理，將阻力減小了5%～8%［7］。

在諸多仿生飛行器研制思路中，形態(tài)仿生是最常見的仿生設(shè)計形式之一［8］。形態(tài)仿生應(yīng)用在飛行器設(shè)計中的主要目的，是通過對飛行器外形的仿生設(shè)計，讓飛行器本身具備更好的氣動性能。在飛行器設(shè)計中，氣動設(shè)計是非?；A(chǔ)和重要的一環(huán)，直接影響飛行性能和飛行品質(zhì)［9］。在飛行器氣動外形設(shè)計中，主要需要考慮的參數(shù)包括升力系數(shù)、阻力系數(shù)、力矩系數(shù)和表面壓力分布差等。通過形態(tài)仿生技術(shù)的運(yùn)用，飛行器設(shè)計人員能夠獲得大量設(shè)計的參照樣板，在設(shè)計的過程中靈活地借鑒和吸納，能夠降低設(shè)計人員的工作量，提高飛行器設(shè)計的效率。需要注意的是，在完成設(shè)計后，需要對形態(tài)仿生飛行器的性能進(jìn)行校核和驗(yàn)證。一般可以利用實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)或風(fēng)洞試驗(yàn)、計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）仿真試驗(yàn)辨識飛行器氣動參數(shù)，驗(yàn)證形態(tài)仿生設(shè)計的先進(jìn)性和有效性。

本文列舉多種現(xiàn)有形態(tài)仿生飛行器，介紹常見的形態(tài)仿生飛行器的研制思路，基于形態(tài)仿生和飛行器設(shè)計的角度，探討形態(tài)仿生飛行器的研制進(jìn)展和所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并對未來形態(tài)仿生飛行器發(fā)展方向進(jìn)行了展望與討論，為今后同類型飛行器的開發(fā)提供參考。

1 形態(tài)仿生飛行器研制進(jìn)展

形態(tài)仿生飛行器的研制靈感來自于自然界中生物的優(yōu)良特性。對于形態(tài)仿生設(shè)計的過程，R.Neurohr等［10］提出了自上而下和自下而上兩種思路，如圖1所示，其中“上”代表設(shè)計研發(fā)層面，“下”代表自然界生物層面。自上而下的思路是先從設(shè)計研發(fā)中所遇到的具體問題出發(fā)，到自然界生物中尋找優(yōu)良的特征并加以引用。自下而上的思路是先從已知的自然界生物優(yōu)良特征出發(fā)，在技術(shù)層面對其原理進(jìn)行分析并運(yùn)用到設(shè)計研發(fā)中。

圖1 形態(tài)仿生兩種設(shè)計思路Fig.1 Two design ideas of morphological bionics

根據(jù)所仿生物種的類別來劃分，形態(tài)仿生飛行器的種類一般包括仿鳥飛行器、仿魚飛行器和其他仿生飛行器。本節(jié)依據(jù)仿生的對象物種類別，介紹當(dāng)前形態(tài)仿生飛行器的研制進(jìn)展。

1.1 仿鳥飛行器

鳥類具有優(yōu)異的氣動性能，能夠在天空中靈活地飛翔，這是人類對鳥類最直觀的印象。因此鳥類也成為了形態(tài)仿生飛行器最受歡迎的模仿對象之一，這類基于鳥類展開形態(tài)仿生設(shè)計的飛行器被稱作仿鳥飛行器。目前仿鳥飛行器主要研究方向?yàn)閾湟硎斤w行器的研制，通過翅膀的撲動來獲取升力和靈活的機(jī)動能力。而撲翼機(jī)的研制重點(diǎn)主要是對撲翼過程中非定常氣動理論研究和對撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究。

相較于傳統(tǒng)飛行器的固定翼結(jié)構(gòu)，仿鳥撲翼飛行器在機(jī)翼撲動過程中，其周圍為非定常流場，因此傳統(tǒng)飛行器的一些理論方法無法直接運(yùn)用到撲翼飛行器上。為了解決撲翼飛行器氣動理論研究相關(guān)問題，1973年，T.Weis-Fogh［11］提出了撲翼過程中產(chǎn)生高升力的Clap and Fling機(jī)制，該理論研究了撲翼撲動過程中兩翅中間形成低壓腔，將周圍空氣吸入并在翼尖形成漩渦，這些漩渦能夠提供向上的升力，為后續(xù)仿生撲翼飛行的理論研究提供了有力支撐；1997年，C.P.Ellington［12］發(fā)現(xiàn)了撲翼過程中的“延遲失速效應(yīng)”，即撲翼撲動過程中前緣渦緊貼翅膀表面產(chǎn)生升力，并隨著迎角的增大保持緊貼從而延緩失速的發(fā)生；2003年，曾銳等［13］使用非定常渦格法對綠頭鴨飛行過程開展分析，得到的結(jié)果與鳥類實(shí)際飛行狀態(tài)趨向一致；2014年，付鵬等［14］以斯特勞哈爾數(shù)為撲翼非定程度的度量標(biāo)準(zhǔn)開展風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，分析了斯特勞哈爾數(shù)對撲翼氣動特性的影響，得到了撲翼效率較高的斯特勞哈爾數(shù)取值范圍；2016年，張紅梅等［15］運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了微型撲翼采用仿生“0”字形和“8”字形運(yùn)動時的氣動特性；2019年，蔣進(jìn)等［16］針對高頻撲動微撲翼飛行器開展了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，建立了撲動過程中機(jī)翼運(yùn)動情況和受力情況的數(shù)學(xué)模型，利用NSGA-Ⅱ算法優(yōu)化后的模型能夠顯著降低力的峰值和載荷。

與此同時，對于撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)研究也是仿生撲翼飛行器的熱門研究方向。傳統(tǒng)撲翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)中較為常見的為純機(jī)械式撲翼結(jié)構(gòu)，主要可以分為基于直流電機(jī)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、基于電磁鐵的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和靜電撲翼驅(qū)動結(jié)構(gòu)三大類，目前應(yīng)用最為廣泛的是基于直流電機(jī)驅(qū)動的雙曲柄雙搖桿機(jī)構(gòu)（國外也稱前置單曲柄機(jī)構(gòu)）［17］。近年來曲柄滑塊式撲翼機(jī)構(gòu)、平面連桿式撲翼機(jī)構(gòu)、空間連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等類別的撲翼機(jī)構(gòu)也逐漸受到人們的關(guān)注。此外，一些新型材料也在驅(qū)動機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用，例如壓電撲翼機(jī)構(gòu)、人工肌肉撲翼驅(qū)動結(jié)構(gòu)、柔性驅(qū)動機(jī)構(gòu)等，均能不同程度地提高撲翼飛行器的飛行效率。

自古以來，人們對能夠在天空中自由飛翔的鳥類充滿了美好向往。宋朝張騭的《太平御覽·文士傳》中就提到了張衡設(shè)計制造的一款木鳥，依靠其腹部特殊的控制機(jī)構(gòu)，可滑翔數(shù)里（1里=500 m）遠(yuǎn)［18］；公元15世紀(jì)，意大利著名設(shè)計家和畫家達(dá)·芬奇通過近20年時間對鳥類的觀察分析，設(shè)計了由人力驅(qū)動的仿鳥撲翼飛行器的手稿［19］；1929年，A.M.Lippich［20］設(shè)計出了一款人力驅(qū)動的仿鳥飛行器，其機(jī)翼模仿鳥的翅膀設(shè)計，翼展達(dá)9 m，每個翅膀的質(zhì)量4.5 kg，依靠人力揮動來維持滑翔，最遠(yuǎn)可以滑翔300 m，持續(xù)飛翔的性能較弱。由于技術(shù)的限制，到20世紀(jì)中期以前，仿鳥飛行器更類似與一種滑翔機(jī)，效率與鳥類相比相對低下。

現(xiàn)代仿鳥飛行器從20世紀(jì)90年代開始逐漸發(fā)展，其驅(qū)動方式也主要轉(zhuǎn)變?yōu)橐婊蛘唠姍C(jī)驅(qū)動。1993年，加拿大研究者J.D.DeLaurier等［21］針對撲翼建立了動力學(xué)模型并加以演算和實(shí)踐，首次研制出引擎驅(qū)動的仿鳥撲翼飛行器，它由一個燃燒甲醇的引擎驅(qū)動，最大功率可達(dá)1 hp（1 hp=0.735 k W），起飛質(zhì)量為3.962 kg，翅膀撲動頻率為3～5 Hz時，最快飛行速度可達(dá)15.24 m/s。之后各國開始注重提高仿生飛行器的空中飛行效率。2005年美國特拉華大學(xué)M.McDonald［22］研制了名為“Sparrow”的撲翼飛行器，其外形模仿小型鳥類的外形，通過扇動翅膀達(dá)到向前飛行的目的，其翼展約為15 cm，持續(xù)飛行時間為1 min；在此基礎(chǔ)上，特拉華大學(xué)的S.H.Mcintosh等［23］研制了MHP（Mechanical Hummingbird Project）系列撲翼飛行器，總共有三款型號MHP1、MHP2和MHP3，將蜂鳥的形狀抽象出來并加以放大，以獲得更好的氣動性能，其翼展達(dá)到了48 cm，質(zhì)量只有50 g，翅膀不僅可以上下?lián)鋭?，還可以改變俯仰角度，飛行靈活性得到了提升。

為了提高仿鳥飛行器的飛行能力，令其更接近所模仿的鳥類，人們在飛行器的形態(tài)和結(jié)構(gòu)設(shè)計上開展了深入的研究。2012年德國FESTO公司以海鷗為原型，研制出仿鳥撲翼飛行器“Smartbird”［24］，它的出現(xiàn)將仿鳥飛行器的研制提升到了一個新的高度，其翼展達(dá)到2 m，全身采用碳纖維材料骨架制成，質(zhì)量只有450 g，在表面加上白色蒙皮以后，形態(tài)與海鷗極為相似，在天空中飛翔的時候甚至引來一群真鳥伴飛；同年美國Aero Vironment公司研發(fā)出了“蜂鳥”超微型飛行器［25］，其翼展為16 cm，質(zhì)量為10 g，飛行速度最快可達(dá)到10 m/s，續(xù)航時間可達(dá)8 min，“蜂鳥”仿生飛行器模仿蜂鳥的外形和翅膀扇動方式，在飛行過程中的能量轉(zhuǎn)換、氣動性能和續(xù)航能力方面有了極大的突破；2018年，R.Yudhono等［26］依照一種名叫Accipter Nisus的歐洲雀鷹設(shè)計了一款仿鳥無人機(jī)，其翼展為74 cm，總質(zhì)量0.6 kg，該研究者從歐洲雀鷹正常飛行時的正下方拍攝照片，通過該照片獲得了輪廓邊緣，依據(jù)此邊緣設(shè)計了飛行器的機(jī)翼和尾翼的輪廓，并在其基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，確定了合適的翼型截面，最終獲得了良好的三維氣動外形；2019年，Zhang Tao［27］按照悉尼銀鷗的外形，設(shè)計了一款混合驅(qū)動的仿生無人機(jī)，翼展為1 m，總質(zhì)量0.65 kg，其既可以像普通撲翼飛行器那樣，通過撲動翅膀來飛行，又可以通過安裝在腹部的四個可伸縮旋翼的運(yùn)轉(zhuǎn)來懸停在空中，機(jī)首處還安裝了一套可伸縮螺旋槳系統(tǒng)，進(jìn)一步拓展了驅(qū)動的方式，對仿鳥飛行器的設(shè)計提供了一種新的思路。

國內(nèi)在仿鳥飛行器領(lǐng)域的研究也有較大突破。2019年，南京航空航天大學(xué)的王鵬程［28］設(shè)計了兩種撲翼類型的仿鳥飛行器，其質(zhì)量約為360 g，飛行速度約為3 m/s，續(xù)航時間為8 min，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼在上行程過程折疊以減小阻力，下行程過程展開以增大氣動升力的效果，并基于葉素理論方法構(gòu)造了適用于低頻撲翼運(yùn)動的氣動模型，能夠直接通過撲動頻率、撲動幅度和迎角等參數(shù)計算得到升力、阻力和推力，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合；胡超等［29］、張后偉等［30］以鳥類作為仿生對象開展仿生飛行器的研究，取得了一定進(jìn)展。以上仿鳥飛行器樣機(jī)參數(shù)及研制思路如表1所示。

表1 仿鳥飛行器樣機(jī)研究匯總T able 1 Research Summary of bird-like bionic aircraft

1.2 仿魚飛行器

魚類能夠在水中快速地游動，其身體的外形也同樣具有相當(dāng)優(yōu)良的流體力學(xué)性能。這種優(yōu)良的外形不僅在水中能夠降低它所受到的阻力，將其運(yùn)用到飛行器外形設(shè)計上，同樣也可以起到減阻的作用。并且以飛魚為仿生對象而研制的飛行器，具備開發(fā)出跨介質(zhì)飛行的潛在能力，成為此類仿生飛行器的一大亮點(diǎn)。在仿魚飛行器設(shè)計中，對飛魚的仿生設(shè)計備受關(guān)注。飛魚是一種能在海面上連續(xù)滑翔的魚類，它雖然沒有鳥類那樣靈活有力的翅膀，但是躍出水面“飛行”起來毫不遜色，較強(qiáng)壯的飛魚一次可以滑翔180 m，連續(xù)滑翔的時間可達(dá)43 s，滑翔的距離可以遠(yuǎn)至400 m［31］，堪稱大自然的奇觀。

早期關(guān)于飛魚的研究主要來自于生物學(xué)家實(shí)地觀測。例如借助頻閃攝影技術(shù)可以測得飛魚以接近10 m/s速度快速游到海面附近，胸鰭聚合緊貼身體，以與水面呈30°左右的姿態(tài)沖出水面，展開胸鰭開始在水面滑翔，尾鰭仍在水下快速拍打，直至脫離水面自由飛行［31］；針對跨介質(zhì)飛行的過程，Xia Dan等［32］開發(fā)出一款機(jī)器魚，并對其跳出水面的過程進(jìn)行了CFD數(shù)值仿真研究，通過求解機(jī)器魚躍出水面的三維動態(tài)過程，得到了機(jī)器魚運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)隨時間變化的函數(shù)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)提高尾部擺動頻率能增加其跳躍高度；H.Park等［33］利用風(fēng)洞測量出了一種黑翼飛魚的空氣動力學(xué)參數(shù)，使用聚氨酯泡沫注入真實(shí)飛魚中用以維持身體形狀，并將鰭完全展開固定，測得了真實(shí)飛魚的氣動參數(shù)；F.E.Fish［34］針對33種199只飛魚樣本，開展了基于形態(tài)學(xué)的空氣動力學(xué)研究，系統(tǒng)地探究了飛魚的翼面積、翼展、翼載荷、長寬比與其體型大小之間的關(guān)系，并基于飛魚胸鰭和腹鰭的形狀和位置開展了機(jī)翼設(shè)計，最后將設(shè)計出的機(jī)翼的飛行性能與其他滑翔機(jī)和撲翼機(jī)作對比，得出了在高速飛行條件下，基于飛魚形態(tài)設(shè)計的機(jī)翼具有較高升阻比，空氣動力學(xué)表現(xiàn)與鳥類滑翔時相類似的結(jié)論，為后續(xù)基于飛魚的仿生設(shè)計提供了理論和數(shù)據(jù)支撐。

基于飛魚的特性，人們也設(shè)計出了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。2015年，來自富蘭克林·W·奧林學(xué)院的研究組設(shè)計了以飛魚為原型的仿生飛行器［35］，它由尾部推進(jìn)驅(qū)動，通過胸鰭的微小位移來控制飛行的姿態(tài)。其外形數(shù)據(jù)取自于自然界飛魚真實(shí)形態(tài)，其框架和支撐件由鋁制切片制成，胸鰭和尾鰭由彈簧鋼片制成。雖然并沒有給出該仿生飛行器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是依據(jù)公開的資料，他們首次提出了以飛魚為原型來設(shè)計仿生飛行器。

2011年，麻省理工學(xué)院的A.Gao等［36］研制出一款仿生飛魚兩棲飛行器，這是第一款有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐的仿生飛魚飛行器，既可以在水下游動，又可以跨越水面沖入空中滑翔。它的翼展達(dá)0.324 m，身長0.25 m，質(zhì)量約為145 g，其密度與水接近，因此在水中游動時幾乎可懸浮在水里。通過對真飛魚的形態(tài)模仿，其成功克服推進(jìn)功率不足的限制，最快以5 m/s的速度沖出水面，完成跨介質(zhì)的飛行。

2013年，斯坦福大學(xué)（BDML）實(shí)驗(yàn)室的A.L.Desbiens等［37-38］發(fā)布了一款按照飛魚為模板設(shè)計的無人機(jī)，其翼展70 cm，身長30 cm，重約30 g，可以通過一個壓緊的彈簧彈射起飛，在距離地面1 m高處可以獲得4 m/s的水平速度，最遠(yuǎn)可滑翔5 m，其滑翔性能在同時期不依靠動力維持推進(jìn)的仿飛魚飛行器中是最好的［37］。

2020年，浙江大學(xué)鄧見等［39］依照飛魚的氣動外形，設(shè)計了一款仿生飛魚跨水氣介質(zhì)的無人平臺，其機(jī)身長25 cm，翼展0.47 m，排水量0.191 kg。通過流體力學(xué)的方法，探究了在水下潛行、水面滑跑和加速起飛整個過程的動力學(xué)特性，驗(yàn)證了當(dāng)輸入功率為350 W時，起飛速度可以達(dá)到16.5 m/s，以及該氣動形態(tài)的仿生飛魚飛行器依靠尾鰭擺動助跑起飛的可行性。

除了以飛魚為仿生飛行器設(shè)計的原型之外，研究者對其他種類的魚也開展了仿生學(xué)設(shè)計。例如瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Smartfish團(tuán)隊以金槍魚為原型設(shè)計的仿金槍魚概念飛機(jī)Tuna Shaped Aircraft［40］，其翼展為4.5 m，起飛質(zhì)量為1 000 kg；國內(nèi)姜琬等［41］依據(jù)旗魚外形設(shè)計了仿旗魚傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器，依據(jù)飛魚外形設(shè)計了仿飛魚可旋轉(zhuǎn)組合式機(jī)翼飛行器等。上述研究仍處于概念設(shè)計階段，未深入探究其氣動性能和飛行能力，未來仍有待進(jìn)一步開展研究。仿魚飛行器樣機(jī)設(shè)計參數(shù)及研制思路如表2所示。

表2 仿魚飛行器樣機(jī)研究匯總Table 2 Research summary of fish-like bionic aircraft

1.3 其他仿生飛行器

在自然界中，除了鳥類和魚類有著良好的氣動性能之外，億萬生物中仍然有很多種類在經(jīng)歷了漫長的自然選擇后，進(jìn)化出了優(yōu)良的氣動外形，值得人們開展仿生學(xué)研究。這些物種包括種類繁多的昆蟲、蝙蝠、水母等，其中最受人們關(guān)注的是基于昆蟲的仿生飛行器設(shè)計。昆蟲中有許多種類能夠靈活地在空中飛行，它們往往具有較小的體型，卻在微小尺度上具備優(yōu)異的氣動特性，為飛行器的仿生設(shè)計提供了豐富的素材。

對于絕大部分昆蟲，其飛行方式也為撲翼飛行?；诶ハx的仿生飛行器大部分也是撲翼飛行器，這與仿鳥飛行器較為類似，例如同樣可以用Clap and Fling等機(jī)制解釋高升力成因。與仿鳥飛行器不同之處在于仿昆蟲飛行器尺度較小，其翼展一般為厘米級。對于微型撲翼飛行器，常用飛行試驗(yàn)研究方法主要包括流場顯示和氣動力測量等。W.Shyy等［42］研究了低雷諾數(shù)下微型撲翼飛行器設(shè)計中的關(guān)鍵問題；美國加州大學(xué)M.H.Dickinson等［43］使用油罐中懸掛機(jī)械翅的方法開展試驗(yàn)，模擬低雷諾數(shù)下昆蟲飛行狀態(tài)，得出了昆蟲依靠延遲失速、旋轉(zhuǎn)循環(huán)、尾流捕獲共同產(chǎn)生高升力的結(jié)論。

在樣機(jī)研制方面，2013年哈佛大學(xué)K.Y.Ma等［44］以雙翅目蜂蠅為原型，研制了一種微型仿昆蟲撲翼飛行器，其總質(zhì)量僅為80 mg，雙翅翼展為3 cm，可以提供超過1.3 mN的升力，左右兩翅的驅(qū)動機(jī)構(gòu)功率為19 mW，但是受到電池技術(shù)的限制，它只能夠通過尾部連接細(xì)導(dǎo)線來獲取電力；2017年，該課題組Chen Yufeng等［45］在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，對微小結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，雙翅翼展為4 cm，質(zhì)量為0.15 g，升力增加到2.2 mN，可以利用水的張力降落在水面上，并可以通過引燃電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣，瞬間（1 ms內(nèi)）獲得7.5～9.0 N的推力，達(dá)到從水面起飛的目的；此外，F(xiàn)esto的仿生蜻 蜓 飛 行 器［46］、仿 蝴 蝶 飛 行 器eMotionButterflies［47］，也是以昆蟲作為仿生對象，加以仿生學(xué)設(shè)計，獲得了優(yōu)秀的氣動性能。

同樣作為飛行能力優(yōu)秀的生物，蝙蝠也是很多仿生飛行器的模仿對象。2001年美國加利福利亞工學(xué)院和Aero Vironment公司共同研發(fā)的“MicroBat”［48］，總質(zhì)量為12.5 g，翼展為0.229 m，能夠在空中持續(xù)飛行42 s。另外，水母作為一種海洋生物，經(jīng)歷數(shù)億年的繁衍，對能量的利用效率已經(jīng)到了相當(dāng)高的水平，同時也具備低雷諾數(shù)下優(yōu)良的氣動外形。依據(jù)這種特性，很多飛行器也以水母為仿生原型，以浮空飛行器居多。例如2014年紐約大學(xué)依據(jù)水母的外形，設(shè)計了一款浮空撲翼飛行器［49-50］，可以通過分布在四周的四個撲翼在空中緩緩移動，能量利用效率非常高；國防科技大學(xué)的楊躍能等［51］模仿僧帽水母，優(yōu)化了一種平流層飛艇的氣動外形，將其升阻比提高60%以上。

除了以單種生物為原型進(jìn)行仿生飛行器設(shè)計之外，也有研究者以多種生物為模板，分別取其氣動性能優(yōu)異的外形部分，并將它們結(jié)合在一起，設(shè)計出了新的仿生飛行器。例如吉林大學(xué)鮑楊春［52］，分別選取翠鳥的頭部和龍虱的身體為形態(tài)仿生對象，并將它們結(jié)合在一起，設(shè)計出一款跨介質(zhì)航行器，其翼展為1.2 m，質(zhì)量為12.91 kg，為飛行器減小阻力提供了一種設(shè)計方案。以上仿生飛行器樣機(jī)設(shè)計參數(shù)及研制思路如表3所示。

表3 其他形態(tài)仿生飛行器樣機(jī)研究匯總T able 3 Research summary of other bionic aircraft

2 形態(tài)仿生飛行器研制中的關(guān)鍵技術(shù)

“自下而上”和“自上而下”分別是形態(tài)仿生飛行器設(shè)計過程中兩種思路。本節(jié)分別圍繞它們展開其相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，以及仿生飛行器氣動特征的辨識方法。

2.1 “自下而上”——生物形態(tài)的提取

形態(tài)仿生本質(zhì)上是對原有生物進(jìn)行模仿和再設(shè)計，它從生物最底層的特征出發(fā)，逐漸轉(zhuǎn)化到更上層的仿生飛行器設(shè)計。在此過程中，怎樣提取原型生物的外形幾何特征，是形態(tài)仿生過程中至關(guān)重要的一步。目前常見的外形幾何特征提取方法包括：外形特征的簡化，借助生物觀測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和逆向工程等。

2.1.1 形態(tài)特征的簡化

對于外形特征的提取，一種行之有效的方法是對原生物外形進(jìn)行簡化處理。外形特征簡化的目的是對生物主要結(jié)構(gòu)特征的提煉和概括［53］，通過刪去次要的結(jié)構(gòu)特征，保持原有生物形態(tài)的固有比例、形狀和結(jié)構(gòu)，以減少形態(tài)仿生過程中的工作量。例如鸚鵡螺的生長形狀可以簡化為黃金螺旋線，向日葵種子、松子的排列可簡化為斐波那契數(shù)列［54］等，如圖2所示。在復(fù)雜的生物外形立體結(jié)構(gòu)中，最簡單、包含形態(tài)特征最多的結(jié)構(gòu)是特征線。利用特征線的提取，即可簡單還原仿生生物的立體外形。例如王鵬程［28］通過簡化鳥類翅膀?yàn)楹唵芜\(yùn)動副，設(shè)計出四連桿折疊雙翼撲動機(jī)構(gòu)，符合真實(shí)鳥類拍打情況，從而在下行程完全伸展增大氣動力，上行程保持折疊減小阻力，極大地提高撲動效率。

圖2 外形特征提?。?4］Fig.2 Appearance feature extraction［54］

2.1.2 生物觀測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在形態(tài)仿生設(shè)計過程中，很多仿生生物原型只有在正常存活的狀態(tài)下，才具有較好的氣動外形。對于這類生物怎樣進(jìn)行外形特征的提取，也是形態(tài)仿生過程中的難點(diǎn)之一。為了解決這個問題，可以采用生物觀測實(shí)驗(yàn)來解決，通過觀測生物存活狀態(tài)下所展現(xiàn)的形態(tài)，以完成外形特征的提取。楊躍能等［51］在對平流層飛艇的外形進(jìn)行仿生學(xué)設(shè)計時，以僧帽水母為對象，構(gòu)建了雙視角同步成像系統(tǒng)，如圖3所示，透明水箱中以45°角斜置一面鏡子，利用一臺攝影機(jī)同時拍攝水母的側(cè)視圖和俯視圖，通過處理視頻圖像數(shù)據(jù)，成功獲得了僧帽水母在存活狀態(tài)下的外形特征。

2.1.3 逆向工程

仿生設(shè)計過程中，精確提取原型生物的外形參數(shù)對仿生設(shè)計極為重要。過去由于技術(shù)限制，在三維層面對生物立體形態(tài)的構(gòu)建很難達(dá)到較高精度水平。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代仿生設(shè)計借助逆向工程，能夠在大部分情況下，獲得高精度的外形特征參數(shù)。逆向工程一般流程［55］包括：通過掃描設(shè)備獲取被測生物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；利用逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，將物體表面光順化；利用CAD軟件進(jìn)行模型重構(gòu)；最后進(jìn)行模型檢測，從而完成對仿生對象的高精度還原。在逆向工程技術(shù)的幫助下，仿生原型形態(tài)特征的獲取將變得更簡便和精確，能夠更靈活地運(yùn)用在仿生飛行器設(shè)計過程中。例如吉林大學(xué)鮑楊春［52］利用掃描設(shè)備分別逆向得到了翠鳥頭部輪廓面和龍虱輪廓面，提取它們的特征輪廓線，加以縮放并組合在一塊，得到具有優(yōu)異跨介質(zhì)流體動力特性的飛行器外形組合體結(jié)構(gòu)。

2.2 “自上而下”——優(yōu)化飛行器性能時參考生物形態(tài)特征

2.2.1 基于仿生尺度律確定飛行器形態(tài)參數(shù)

在飛行器設(shè)計過程中，當(dāng)遇到實(shí)際問題難以解決時，通過從自然界生物（如鳥類）獲取解決問題的方案，即“自上而下”的思路。在仿生飛行器“自上而下”設(shè)計過程中，仿生尺度率經(jīng)驗(yàn)公式是一種可行的技術(shù)方案。首先尺度率是指當(dāng)任意物體尺寸發(fā)生變化時，與之相關(guān)的物理量和機(jī)械參數(shù)等會隨之發(fā)生變化的規(guī)律［56］。以仿生撲翼飛行器為例，當(dāng)飛行器形態(tài)或者質(zhì)量發(fā)生變化時，其自身飛行能力、續(xù)航能力以及能量利用效率都會隨之變化，這種現(xiàn)象又稱“尺度效應(yīng)”。W.Shyy等［57］通過大量研究，最終利用量綱的方法得到各種鳥類的升力、翼面積、翼載荷、展弦比、巡航速度、撲動頻率、質(zhì)量、功率等參數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系，將飛行各個相關(guān)物理量結(jié)合到一起，通過曲線擬合的方式得到了仿生尺度率經(jīng)驗(yàn)公式。

利用仿生尺度率經(jīng)驗(yàn)公式，以及估算出的飛行器質(zhì)量M，直接推算出飛行器的翼展、翼面積、展弦比、最小功率、最小功率速度等參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，如表4所示。并依此開展仿生飛行器的設(shè)計，以獲得更接近鳥類的飛行性能。王鵬程［28］利用仿生尺度率思路設(shè)計的仿生撲翼飛行器，經(jīng)估算其飛行效率可達(dá)到鳥類的75%。

2.2.2 基于遺傳算法優(yōu)化仿生飛行器性能

在“自上而下”的思路中，將仿生對象的形態(tài)融合至飛行器本身的形態(tài)中，并結(jié)合飛行器自身特點(diǎn)加以優(yōu)化，是至關(guān)重要的步驟。遺傳算法（Genetic Algorithm）作為一種在工程設(shè)計和計算中廣為運(yùn)用的優(yōu)化算法，恰好能夠解決仿生飛行器研發(fā)過程中的形態(tài)融合和優(yōu)化問題，本文主要針對基本遺傳算法開展論述。

遺傳算法的產(chǎn)生本身就是仿生的結(jié)果，它是基于迭代過程的搜索算法，以達(dá)爾文的生物進(jìn)化過程為準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)遺傳選擇和自然淘汰，遺傳操作包括選擇、交叉和變異。其核心內(nèi)容包括參數(shù)編碼、初始種群的選擇、適應(yīng)度函數(shù)的確定、遺傳操作、參數(shù)控制［58］。在形態(tài)仿生飛行器的設(shè)計過程中，遺傳算法主要用作生成產(chǎn)品的整體輪廓或者形態(tài)的關(guān)鍵曲線形狀［59］。在對仿生飛行器進(jìn)行遺傳算法優(yōu)化時，其步驟首先分別掃描飛行器和生物的模型坐標(biāo)，將各自仿生面分別投影至兩個n×n網(wǎng)格中，取每個格點(diǎn)的高度值H n作為染色體母鏈；然后對母鏈分別作交叉和變異處理，得到第一子代，用篩選函數(shù)對第一子代進(jìn)行篩選和插值，作為下一子代的親代染色體鏈；接下來對變異和交叉法則相關(guān)系數(shù)以及適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)行迭代運(yùn)算；最后輸出優(yōu)化后的曲面結(jié)果，以及分別和原飛行器表面和生物表面的擬合度和適應(yīng)度函數(shù)指標(biāo)，完成遺傳算法優(yōu)化過程。將所得到的染色體中的格點(diǎn)插值后，即可得到所需要的仿生曲面。在此過程中，篩選函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)的選取較為關(guān)鍵。解靜等［60］通過對氣動力、氣動熱、容積利用率和穩(wěn)定性計算和分析，提供了一種確定篩選函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)的思路。

2.3 仿生飛行器氣動參數(shù)的辨識

對于形態(tài)仿生飛行器的研制，掌握其空氣動力學(xué)特性作為關(guān)鍵目標(biāo)，始終貫穿在整個研制過程中。一個可靠的數(shù)學(xué)模型能更直觀地了解和評判仿生飛行器的性能，并且在飛行控制器的設(shè)計中也是不可或缺的。要想得到仿生飛行器的空氣動力學(xué)特性，最為常用的方法是首先建立飛行器的運(yùn)動模型和氣動模型，然后開展飛行試驗(yàn)，通過實(shí)際測量飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)來辨識氣動參數(shù)。此外，還可以與CFD氣動仿真計算和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果互相補(bǔ)充和驗(yàn)證，來得到完整可靠的氣動參數(shù)。對于氣動參數(shù)的辨識，已有最小二乘法、極大似然法、頻率法、模型估計法、卡爾曼濾波法、生物進(jìn)化算法等多種常用方法［61］。目前發(fā)展方向主要為提高氣動參數(shù)的辨識精度和收斂速度。

然而對于仿生撲翼飛行器等無法直接通過計算或者風(fēng)洞得到氣動參數(shù)的飛行器而言，其氣動參數(shù)是非線性系統(tǒng)隱式參數(shù)，需采用一定優(yōu)化方法加以計算。浙江大學(xué)孫遜萊［61］以仿海鷗多段翼撲翼飛行器為對象，采用剛體非線性微分動力學(xué)模型，依據(jù)實(shí)測飛行數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了撲翼類飛行器隱式氣動參數(shù)辨識。其辨識結(jié)果與實(shí)際飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度高，誤差達(dá)到5%以下。

3 展 望

仿生學(xué)作為一門新興學(xué)科，不斷從大自然中汲取優(yōu)秀的設(shè)計理念，為人類所用。而形態(tài)仿生飛行器的研制，作為仿生學(xué)的一個分支，近年來也取得了比較大的進(jìn)展。通過對大自然生物形態(tài)的模仿和再設(shè)計，飛行器能夠獲得更好的氣動性能，在交通運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排、成本控制等方面有著較好的應(yīng)用前景。

對于形態(tài)仿生飛行器的發(fā)展，有以下3個方向。

（1）小型化、微型化發(fā)展。隨著人類科技水平的逐步提高，形態(tài)仿生飛行器也會不斷地朝小型化、微型化發(fā)展。目前受限于電池技術(shù)的發(fā)展，許多微型仿生飛行器仍然需要外接導(dǎo)線來獲取電力。在今后電池技術(shù)取得突破后，這些模仿飛行昆蟲的微小飛行器一定會大放光彩，取得長足的發(fā)展。

（2）高效化、靈活化發(fā)展。目前許多仿生飛行器還是簡單地對生物的模仿，其對能量的利用效率并不高，機(jī)動能力也較差。今后形態(tài)仿生飛行器會朝著能量的利用效率更高的方向發(fā)展，同時也能夠具備更高的靈活性，更加貼近仿生對象的實(shí)際性能，以獲得更優(yōu)秀的仿生學(xué)效果。

（3）系統(tǒng)化、規(guī)范化發(fā)展。目前雖然形態(tài)仿生飛行器的發(fā)展已取得較大進(jìn)展，但是其各自所采用的方法種類繁多，還未建立起一個較為完善和系統(tǒng)化的體系。今后隨著形態(tài)仿生飛行器研究的進(jìn)一步推進(jìn)，對于整體的研發(fā)會不斷朝著規(guī)范化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，從而讓形態(tài)仿生飛行器的設(shè)計有法可依、有章可循。

4 結(jié)束語

本文介紹了形態(tài)仿生飛行器的仿生原理和步驟，分析了當(dāng)前形態(tài)仿生飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀，并將形態(tài)仿生飛行器按照被仿對象種類分為三個大類別，分別介紹其研制進(jìn)展，并列舉了該類別形態(tài)仿生飛行器樣機(jī)的研發(fā)內(nèi)容和參數(shù)。隨后分析了在形態(tài)仿生中應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)，“自下而上”思路中的形態(tài)特征提取方法、“自上而下”思路中參考現(xiàn)有生物解決仿生飛行器設(shè)計中的問題。之后介紹了仿生飛行器氣動參數(shù)的辨識方法，討論了如何辨識非線性系統(tǒng)隱式參數(shù)。最后，本文對形態(tài)仿生飛行器的未來發(fā)展方向進(jìn)行了分析，得出了將來形態(tài)仿生飛行器會往小型化和微型化，高效化和靈活化以及系統(tǒng)化和規(guī)范化方向發(fā)展的結(jié)論。

形態(tài)仿生飛行器作為仿生飛行器中一個重要的類別，在今后將持續(xù)得到發(fā)展和創(chuàng)新。就目前而言，形態(tài)仿生的關(guān)鍵在于對目標(biāo)形態(tài)的提取和轉(zhuǎn)化。在形態(tài)仿生飛行器研發(fā)過程中，隨著技術(shù)和理念的不斷進(jìn)步，將來會有更加先進(jìn)的技術(shù)出現(xiàn)，讓形態(tài)仿生的設(shè)計更加精確和有效。與此同時，這些技術(shù)和理念也會引領(lǐng)飛行器設(shè)計理念的更新和優(yōu)化。兩個過程是相輔相成的，最終構(gòu)成一個完整的閉環(huán)。相信在不久的將來，形態(tài)仿生技術(shù)的研究將會令飛行器的性能發(fā)生質(zhì)的飛躍。