路 翔，席 翔，吳宇列，吳學(xué)忠，肖定邦

（國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院，長沙 430074）

1 引 言

21 世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、材料科學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、微納制造與人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)機(jī)器人的研究正朝著微型化和智能化的方向發(fā)展［1-2］。以美國為首的西方國家在軍方項(xiàng)目的支撐下已開展了二十多年的微納機(jī)器人研究，并積極推動(dòng)微納機(jī)器人在未來無人戰(zhàn)場(chǎng)的作戰(zhàn)應(yīng)用論證。1997 年，美國國防部預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）發(fā)布了微型飛行器（Micro Air Vehicle，MAV）［3-4］項(xiàng)目，發(fā)展最大線性尺寸為15 cm 或以下，運(yùn)動(dòng)半徑為10 km，峰值速度超過13 m/s，運(yùn)行時(shí)間超過20 min 的微米級(jí)別機(jī)器人。2005 年，DARPA 宣布了“納米飛行器”項(xiàng)目，該項(xiàng)目要求10 g 以下的飛行器，最大尺寸為7.5 cm，能夠飛行1 km以上。2018年，DARPA啟動(dòng)“短程獨(dú)立微型機(jī)器人平臺(tái)”（SHRIMP）［5］項(xiàng)目，研發(fā)微米-毫米尺寸、質(zhì)量為數(shù)克、不系繩的微型機(jī)器人，用于隱蔽偵察、災(zāi)后搜救、基礎(chǔ)設(shè)施檢查、火星表面探索等任務(wù)，以此來推動(dòng)顛覆性技術(shù)的發(fā)展，為美軍搶占未來無人作戰(zhàn)“制高點(diǎn)”提供技術(shù)儲(chǔ)備。

傳統(tǒng)界定上，微納機(jī)器人指的是尺度在微納米級(jí)別（幾納米至幾百微米）的微型機(jī)器人，本文對(duì)微納機(jī)器人的界定主要根據(jù)機(jī)器人的特征尺寸：特征尺寸在納米量級(jí)，整體尺寸在納米/微米量級(jí)的機(jī)器人界定為納機(jī)器人；特征尺寸在微米量級(jí)，整體尺寸在微米/厘米量級(jí)的機(jī)器人界定為微機(jī)器人，因此微機(jī)器人包含了傳統(tǒng)界定上的微米尺度的機(jī)器人和厘米尺度的微型機(jī)器人。

微飛行器是微納機(jī)器人中具有廣闊應(yīng)用前景的一類，目前廣泛研究的有固定翼［6］、旋翼［7］、撲翼［8］三種運(yùn)動(dòng)形式的飛行器，在宏觀的軍民通用航空領(lǐng)域，固定翼飛行器和旋翼飛行器性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛，但隨著飛行器整體尺寸的縮小，在低雷諾數(shù)的條件下將難以產(chǎn)生足夠升力并保持穩(wěn)定，而撲翼飛行方式［9-10］在微小尺度下可以產(chǎn)生足夠的升力，擁有更多的優(yōu)勢(shì)，因此微型撲翼飛行器成為微飛行器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前，以哈佛大學(xué)、華盛頓大學(xué)、上海交通大學(xué)、國防科技大學(xué)等為代表的國內(nèi)外高校已研制出多種微納機(jī)器人樣機(jī)［11-14］，受尺度、能量與載荷等條件制約，研究水平總體處于實(shí)驗(yàn)室階段，其中，微飛行器由于運(yùn)動(dòng)靈活、易滲透、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。本文主要對(duì)微納撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝以及能源驅(qū)動(dòng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行綜述。首先介紹了微納撲翼飛行器的概念和氣動(dòng)力學(xué)分析；其次討論了微納撲翼飛行器不同的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、加工工藝以及能源驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)理特點(diǎn)；再次對(duì)微納撲翼飛行器的應(yīng)用潛力和發(fā)展態(tài)勢(shì)挑戰(zhàn)進(jìn)行了概括；最后對(duì)微納撲翼飛行器在未來需重點(diǎn)研究的方向給出建議。

2 微納撲翼飛行器的氣動(dòng)力學(xué)分析

2.1 雙翅目昆蟲飛行機(jī)理的研究

昆蟲一般具有體形微小、運(yùn)動(dòng)靈活、感知能力靈敏的特點(diǎn)，還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境，進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并在復(fù)雜的氣流環(huán)境中始終保持穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。雙翅目昆蟲是撲翼飛行類昆蟲的典型，如圖1所示，雙翅目昆蟲蚜蠅在飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)主要由兩部分組成：扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和拍打運(yùn)動(dòng)，升力是在兩種運(yùn)動(dòng)的共同作用下產(chǎn)生的。

拍打運(yùn)動(dòng)時(shí)翅膀繞著拍打軸線旋轉(zhuǎn)，拍打軸線與扭轉(zhuǎn)軸線垂直并且通過翅根，采用“上沖程”和“下沖程”來描述翅膀的上下拍打運(yùn)動(dòng)［15］，在飛行的過程中，蚜蠅通過胸腔的快速收縮使翅膀產(chǎn)生拍打運(yùn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)翅膀繞著扭轉(zhuǎn)軸線擺動(dòng)，扭轉(zhuǎn)軸線沿翼展方向和翅前緣相關(guān)聯(lián)；扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要由向外扭轉(zhuǎn)和向內(nèi)扭轉(zhuǎn)組成，蚜蠅翅膀的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完全可以依靠氣動(dòng)力和慣性力的作用共同產(chǎn)生，而無需額外的肌肉去提供能量，在扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，飛行肌肉主要起到控制扭轉(zhuǎn)角度的作用［16］。

微型撲翼飛行昆蟲的飛行運(yùn)動(dòng)是一種低雷諾數(shù)下的飛行狀態(tài)，采用穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)的原理無法解釋，需用非定常空氣動(dòng)力學(xué)原理來解釋撲翼飛行時(shí)產(chǎn)生高升力的機(jī)制，當(dāng)前主要有打開-合攏機(jī)制（Clap-Fling）［17］、延時(shí)失速機(jī)制（Delayed Stall）［18］以及尾跡俘獲機(jī)制（Wake Capture）［19］三種機(jī)制。

（1）打開-合攏機(jī)制

1973 年，Sane S P［17］在研究大黃蜂翅膀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了“打開-合攏”機(jī)制。該機(jī)制指出在撲翼飛行時(shí)，昆蟲的翅膀拍打至上沖程極限處并保持兩翅膀平面互相平行，然后從上沖程至下沖程過程中繞翅膀的后緣迅速地打開，打開到一定的角度后，兩個(gè)翅面徹底分開作平動(dòng)，因?yàn)槌岚虼蜷_迅速，導(dǎo)致翅膀周圍的氣流無法繞過翅膀前緣來到翼面上方，在翼面上會(huì)形成一個(gè)提供升力的負(fù)壓區(qū)，如圖2 所示，且形成時(shí)的升力大小主要取決于翅膀打開的角速度和角加速度。

（2）延時(shí)失速機(jī)制和前緣渦

1996 年，Ellington 等［18］通過煙霧來可視化真實(shí)氣場(chǎng)流動(dòng)，對(duì)鷹蛾撲翼動(dòng)作進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在快速平動(dòng)的過程中翅膀上方會(huì)形成一個(gè)低氣壓區(qū)，且隨著翅膀扭轉(zhuǎn)角的增加，流過翅膀的氣流漩渦在穿過前緣時(shí)分離，但在到達(dá)后緣前重新附著。由于流體重新附著，流體繼續(xù)從后緣平穩(wěn)流動(dòng)，這種狀態(tài)循環(huán)維持。在這種情況下，因?yàn)槌岚蛟谳^大的偏轉(zhuǎn)角下變換，賦予流體更大的向下動(dòng)量，從而大大提高升力。圖3 為二維線性平移與三維撲動(dòng)平移的比較，翅膀在平動(dòng)過程中，渦旋沿著前緣和后緣交替脫落。當(dāng)翅膀撲動(dòng)時(shí)，前緣渦的大小趨于穩(wěn)定，后緣沒有產(chǎn)生額外的渦量，翅膀傳遞給流體的凈向下動(dòng)量會(huì)產(chǎn)生下洗流，導(dǎo)致穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)翅膀上凈空氣動(dòng)力的恒定值略微降低。研究表明，前緣渦是昆蟲翅膀產(chǎn)生的氣流及其產(chǎn)生的力的重要特征。

圖3 二維線性平移與三維撲動(dòng)平移的比較Fig.3 Comparison of linear translation in 2D and flapping translation in 3D

（3）尾跡俘獲機(jī)制和翻轉(zhuǎn)效應(yīng)

Dickinson 等［19］研究還發(fā)現(xiàn)在翅膀拍動(dòng)的過程中，會(huì)交替產(chǎn)生一組升力峰值，如圖4 所示。兩個(gè)峰值產(chǎn)生的原因有差異，第一個(gè)峰值是拍動(dòng)翅膀時(shí)擾動(dòng)的空氣在尾部形成氣流被俘獲引起的，稱為“尾跡俘獲”，第二個(gè)升力峰值是由于翅膀快速扭轉(zhuǎn)拍打而產(chǎn)生的，稱為“翻轉(zhuǎn)效應(yīng)”。

圖4 翅膀拍動(dòng)過程交替產(chǎn)生的升力峰值Fig.4 The lift peak produced by the wing beat process alternately

2.2 撲翼飛行的空氣動(dòng)力學(xué)

翅膀是決定撲翼飛行性能的關(guān)鍵因素，翅膀的形貌結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布以及面積大小等對(duì)飛行性能起著至關(guān)重要的作用。為方便定量分析翅膀?qū)︼w行性能的影響規(guī)律，需建立翅膀結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，真實(shí)的昆蟲翅膀是復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但其總厚度通常只有數(shù)十微米［20］，因此通常忽略其垂直翅膀平面的厚度，只考慮其翅面的幾何形狀和質(zhì)量分布，如圖5所示。

圖5 雙翅目昆蟲翅膀平面輪廓和幾何參數(shù)Fig.5 Plane profile and geometric parameters of the wings of diptera insects

使用等效的單自由度集總參數(shù)線性模型［21］對(duì)微納撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)器-傳動(dòng)-翅膀系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖6 所示，來描述驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和翅膀的特性，該模型的特征為有效質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)。假設(shè)空氣動(dòng)力與局部動(dòng)壓成正比，弦向微元條繞翅膀繞拍動(dòng)軸線的瞬時(shí)速度為(t)x，在每個(gè)微元條上產(chǎn)生的力（升力或阻力）為［22］

圖6 等效的單自由度集總參數(shù)線性模型Fig.6 Equivalent single degree of freedom lumped parameter linear model

式中，ρ是空氣密度，CF是力系數(shù)（扭轉(zhuǎn)角φ的函數(shù)）。

由于昆蟲翼流的不規(guī)則和高度三維特性［23］，假設(shè)由誘導(dǎo)流引起的φ的局部變化忽略不計(jì)，通過積分可得瞬時(shí)的升力和阻力為

式中，為翅膀的二階面積矩回轉(zhuǎn)半徑的無量綱的參數(shù)，在Whitney 等［24］的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了升力系數(shù)和阻力系數(shù)與翅膀扭轉(zhuǎn)角度φ存在關(guān)系

3 微納撲翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撲翼飛行器主要通過仿生和宏觀機(jī)械結(jié)構(gòu)微型化的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中主要模仿對(duì)象是撲翼飛行的鳥類和昆蟲，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方面主要以連桿結(jié)構(gòu)［25-26］、齒輪系［27-29］以及繩傳動(dòng)［30］為主，如表1所示。

表1 微型撲翼飛行器的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)Table 1 Transmission structure of micro flapping wing vehicle

2015 年，韓國建業(yè)大學(xué)的 Park 等通過對(duì)甲殼蟲的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究仿照［25］，研制出一款微型撲翼飛行器，如圖7（a）所示，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)作為撲翼飛行器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)放大輸出為翅膀的拍打運(yùn)動(dòng)。2016 年，哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室模仿鳥類飛行成功研制出一款質(zhì)量為3.2 g 的無線撲翼微飛行器［26］，如圖7（b）所示。機(jī)器人采用一對(duì)鏡像對(duì)稱曲柄滑塊和附加連桿組成的Sarrus連桿作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該款飛行器既能主動(dòng)撲翼飛行又能被動(dòng)滑翔飛行。

圖7 連桿滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的微型撲翼飛行器Fig.7 Vector diameter variation diagram

普渡大學(xué)［27-28］于2016 年成功研制出仿蜂鳥微型撲翼機(jī)器人，如圖8（a）所示，該機(jī)器人采用高效減速齒輪系傳動(dòng)，質(zhì)量約12 g，可實(shí)現(xiàn)無線起飛。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)研制的一款仿生撲翼飛行器［29］，如圖8（b）所示，該仿生飛行器采用齒輪系統(tǒng)作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，全機(jī)質(zhì)量為15 g，翼展20 cm，實(shí)現(xiàn)成功飛行8～18 s。

圖8 齒輪系傳動(dòng)的微型撲翼飛行器Fig.8 Miniature ornithopter driven by gear train

2011年，美國航空環(huán)境公司［30］研制出仿蜂鳥機(jī)器人Nano Hummingbird，如圖9所示，該機(jī)器人采用齒輪與繩傳動(dòng)相結(jié)合的方式，質(zhì)量為19 g，翼展16.5 cm，撲翼頻率30 Hz，可無線遙控飛行約4 min。

圖9 繩傳動(dòng)的仿蜂鳥撲翼飛行器Fig.9 A rope-driven hummingbird imitation flapping wing vehicle

3.2 加工工藝

微型撲翼飛行器的加工工藝主要有激光切割與微裝配［31］、智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)工藝（Smart Composite Microstructure， SCM） 與 pop-up 工藝［32-35］、MEMS技術(shù)［36-38］等，如表2所示。

表2 微型撲翼飛行器的加工工藝Table 2 Processing technology of micro flapping wing vehicle

激光切割與微裝配工藝是制造微型機(jī)器人比較常用且經(jīng)典的手段。2011 年，卡耐基梅隆大學(xué)的 Hines 等［31］通過仿生研制出一款微型撲翼飛行器，如圖10 所示，該飛行器采用激光切割分別加工出翅膀和機(jī)身等結(jié)構(gòu)，最后再進(jìn)行微裝配實(shí)現(xiàn)樣機(jī)成型，樣機(jī)質(zhì)量約705 mg，未成功實(shí)現(xiàn)起飛。

圖10 卡耐基梅隆大學(xué)研制的樣機(jī)Fig.10 A prototype developed at Carnegie Mellon University

加利福尼亞大學(xué)伯克利分校從1998 年開始采用SCM 加工工藝研制微型撲翼飛行器MFI［32-33］，如圖11（a）所示。但受微細(xì)加工技術(shù)與飛行原理的限制，MFI 未實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。2012 年哈佛大學(xué)基于SCM 工藝提出了一種整體制造撲翼飛行器的pop-up 工藝［34-35］，采用該工藝制得了一款質(zhì)量為90 mg的微型撲翼飛行器，如圖11（b）所示。

圖11 采用SCM工藝研制的撲翼飛行器Fig.11 An ornithopter developed by SCM technology

法國的里爾大學(xué)研發(fā)了一款微型撲翼飛行器［36］，如圖12（a）所示，該飛行器的翅膀和機(jī)身是基于MEMS工藝，采用SU-8光刻膠制造獲得的，翼展3.5 cm，質(zhì)量為22 mg，實(shí)現(xiàn)60°的撲翼角度。國內(nèi)上海交通大學(xué)基于MEMS技術(shù)，采用SU-8光刻膠制作了一款撲翼飛行器［37-38］，如圖12（b）所示。

圖12 采用MEMS技術(shù)研制的撲翼飛行器Fig.12 An ornithopter developed by MEMS technology

3.3 能源驅(qū)動(dòng)

在微型撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)方面，主要以電機(jī)驅(qū)動(dòng)［39-43］、電磁驅(qū)動(dòng)［44-47］和壓電驅(qū)動(dòng)［48-56］為主，近些年一些機(jī)構(gòu)還提出了一些新型驅(qū)動(dòng)方式，如混合驅(qū)動(dòng)［57］、介電彈性體驅(qū)動(dòng)［58-59］等，如表3所示。

表3 微型撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)方式Table 3 The driving mode of micro flapping wing vehicle

加州理工學(xué)院于1998 年開始研制微型撲翼飛行器MicroBat［39-40］，研制的樣機(jī)如圖13（a）所示，采用質(zhì)量約3 g 可充電鎳鎘電池供電，利用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最佳無線飛行時(shí)間42 s。代爾夫特大學(xué)于2005 年開始研制DelFly 系列撲翼飛行器［41-43］，如圖13（b）所示，采用微型無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微型鋰電池供電。

圖13 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的微型撲翼飛行器Fig.13 Motor driven micro flapping wing vehicle

2013 年美國普渡大學(xué)生物機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開始研制一種用于高頻撲翼的電磁驅(qū)動(dòng)器［44］，如圖14（a）所示，并于2015 年采用電磁驅(qū)動(dòng)器研制出一款質(zhì)量為2.6 g的撲翼飛行器［45］，并實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的成功起飛。國內(nèi)上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)于2016 年研制出一款電磁驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)器人［46-47］，如圖14（b）所示。該機(jī)器人的質(zhì)量為80 mg，翼展為 35 mm，采用電磁驅(qū)動(dòng)控制，是當(dāng)時(shí)公開報(bào)道的最小的電磁驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)器人。

圖14 電磁驅(qū)動(dòng)的微型撲翼飛行器Fig.14 Electromagnetic driven micro flapping wing vehicle

哈佛大學(xué)Wood 團(tuán)隊(duì)于2007 年研制出世界上首款成功起飛的壓電驅(qū)動(dòng)微型撲翼飛行器HMF［48-49］，采用PZT-5 系列壓電片作驅(qū)動(dòng)器，質(zhì)量為60 mg，翼展30 mm；該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)HMF 的改進(jìn)，研制了運(yùn)動(dòng)解耦式撲翼飛行器Robobee［50-53］，質(zhì)量為80 mg，翼展30 mm，可多自由度運(yùn)動(dòng)，并采用太陽能供電［54］，于2019年實(shí)現(xiàn)脫線起飛，如圖15（a）所示。2018年，華盛頓大學(xué)的Yogesh 等研制了一款壓電驅(qū)動(dòng)微型撲翼飛行器RoboFly［55］，該款機(jī)器人采用橫向布置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖15（b）所示，并通過使用激光器遠(yuǎn)程供電［56］實(shí)現(xiàn)了無線起飛。

圖15 壓電驅(qū)動(dòng)的微型撲翼飛行器Fig.15 Piezoelectric driven micro flapping wing vehicle

哈佛大學(xué)的陳宇峰［57］在Robobee 的基礎(chǔ)上改進(jìn)，給飛行器添加了集氣室、四個(gè)平衡梁、浮力支腿以及相關(guān)電化學(xué)設(shè)備，如圖16（a）所示，該款飛行器采用壓電、浮力和爆破力的混合驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)水中浮游、沖出水面和繼續(xù)飛行三種功能。2019 年，該團(tuán)隊(duì)還采用介電彈性體執(zhí)行器（DEA）［58］驅(qū)動(dòng)，研制了一款魯棒性較好的微型撲翼飛行器［59］，如圖16（b）所示。2021 年豐田中央研究所報(bào)道了一種新型無線射頻電源［60］，可用于驅(qū)動(dòng)昆蟲仿真撲翼飛行器。其功率質(zhì)量比密度為4900 W/kg，比等質(zhì)量的鋰聚合物電池高出5倍，并利用該系統(tǒng)，演示了1.8 g 飛行器的無線起飛，如圖16（c）所示。2022年，布里斯托大學(xué)開發(fā)了一種液體放大拉鏈執(zhí)行器（LAZA）驅(qū)動(dòng)的微飛行器［61］，如圖16（d）所示，飛行器機(jī)翼帶有負(fù)電荷，機(jī)翼周圍有電介質(zhì)液體，正電荷交替轉(zhuǎn)移到機(jī)翼兩側(cè)的壁上，使機(jī)翼擺動(dòng)，翼展50 mm，飛行器最大速度 18 個(gè)身長每秒，功耗243 mW。

圖16 其他驅(qū)動(dòng)方式的撲翼飛行器Fig.16 Ornithopter vehicle with other modes of drive

3.4 系統(tǒng)級(jí)能力

微納撲翼飛行器作為一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)，其攜帶載荷的能力和續(xù)航時(shí)間是其未來投入應(yīng)用的重要技術(shù)指標(biāo)要求，當(dāng)前研制的微納撲翼飛行器主要分為仿蜂鳥型和仿飛行昆蟲兩類，其中仿蜂鳥型的微納撲翼飛行器具有一定的載荷和續(xù)航能力，但其體積和質(zhì)量較大，通常質(zhì)量達(dá)數(shù)十克，翼展通常超過10 cm，仿飛行昆蟲類的微納撲翼飛行器體積和質(zhì)量小，但其基本無負(fù)載能力和續(xù)航能力。

如美國航空環(huán)境公司研制出的Nano Hummingbird仿蜂鳥微型撲翼機(jī)器人［30］，該機(jī)器人質(zhì)量為19 g，翼展16.5 cm，撲翼頻率30 Hz，可無線遙控飛行約4 min，西北工業(yè)大學(xué)的宋筆峰團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的信鴿，質(zhì)量約為200 g，翼展大約為50 cm，最大的飛行速度可達(dá)40 km/h，最長的續(xù)航時(shí)間為30 min，裝備了高清的攝像頭和GPS 天線以及飛行控制系統(tǒng)和衛(wèi)星通信鏈。

哈佛大學(xué)仿蜜蜂微飛行器RoboBee X-wing［54］和華盛頓大學(xué)的仿蜜蜂微飛行器RoboFly［56］均采用光能供電實(shí)現(xiàn)毫克級(jí)撲翼微飛行器的無纜起飛，但受能源和質(zhì)量限制，此類飛行器目前的負(fù)載能力和續(xù)航能力較弱。

未來投入應(yīng)用的微納撲翼飛行器通常質(zhì)量為500 mg～10 g 之間，尺寸在1～10 cm 之間，這樣的尺寸范圍既保證機(jī)器人具有極高的隱蔽性，又能夠搭載一定功能載荷，如圖像探測(cè)、錄像錄音等功能，飛行高度需達(dá)3～5 m，飛行速度應(yīng)與蜜蜂、蜻蜓等昆蟲相仿，同時(shí)需要具備一定續(xù)航能力，持續(xù)工作時(shí)間需達(dá)數(shù)十分鐘。目前所研制的微納撲翼飛行器在系統(tǒng)級(jí)能力上尚未達(dá)到要求。

4 微納撲翼飛行器發(fā)展挑戰(zhàn)與應(yīng)用

4.1 發(fā)展態(tài)勢(shì)挑戰(zhàn)

雖然微納撲翼飛行器在設(shè)計(jì)方案、加工工藝、驅(qū)動(dòng)方法、系統(tǒng)集成、感知與控制等方面取得了一系列進(jìn)展，但距離實(shí)用化仍然有一定距離，主要面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

（1）微納撲翼飛行器需要全新的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)前的微納飛行器在技術(shù)路線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案上限制了其進(jìn)一步微型化和集成化，且噪聲較大，在較安靜的室內(nèi)環(huán)境易暴露；

（2）微納撲翼飛行器對(duì)仿生“功構(gòu)一體”智能材料與結(jié)構(gòu)的需求迫切，現(xiàn)有微納飛行器的材料和結(jié)構(gòu)通常功能有限，為了增加其功能需要疊加使用，制造組裝過程復(fù)雜，與微納飛行器苛刻的體積和質(zhì)量限制產(chǎn)生根本矛盾；

（3）微納撲翼飛行器對(duì)智能化感知與信息處理系統(tǒng)的集成化程度提出了苛刻要求，微納飛行器既包含智能信息處理算法的軟件集成，又包含機(jī)械、能源、傳感等多個(gè)模塊的高度硬件集成，是對(duì)當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)制造能力與綜合集成能力的巨大挑戰(zhàn)；

（4）微納撲翼飛行器對(duì)高效率仿生能源供給與轉(zhuǎn)換裝置提出了迫切需求，微型化對(duì)能源的能量密度以及能源轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率都有比較高的要求，現(xiàn)有能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換方法難以滿足要求；

（5）微納撲翼飛行器的自主感知與集群控制難以實(shí)現(xiàn)，目前絕大多數(shù)微納飛行器均只包含運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其姿態(tài)測(cè)量和信息處理系統(tǒng)通常在超微機(jī)器人外部，更無法攜帶相關(guān)感知和探測(cè)載荷，主要原因是體積和功耗約束下負(fù)載能力極為有限，感知系統(tǒng)集成化程度低，要實(shí)現(xiàn)自主感知與集群控制非常困難。

4.2 應(yīng)用潛力

相比于傳統(tǒng)無人飛行平臺(tái)，微納撲翼飛行器具有體積微小、隱蔽性強(qiáng)、靈活度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，開展微型撲翼飛行器的技術(shù)研究，具有以下幾個(gè)方面的重大研究?jī)r(jià)值。

（1）微納撲翼飛行器具有體積小、噪聲低、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)異特性，將極大提升隱蔽滲透?jìng)刹炷芰?。可以多種渠道投放至敵區(qū)執(zhí)行偵察，還可以依附于敵方的車輛、人員等載體滲透進(jìn)入敵方內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)“無孔不入，無處不在”，獲取常規(guī)手段難以得到的情報(bào)信息。

（2）微納撲翼飛行器可依托于先進(jìn)微納制造工藝，實(shí)現(xiàn)低成本批量化的制作。單一機(jī)器人的負(fù)載能力有限，監(jiān)測(cè)和攻擊能力受限于攜帶載荷的種類和承載能力，集群化可以有效地提高微飛行器的攻擊能力。此外，集群化的微飛行器通過構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，批量投放至戰(zhàn)場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的全天候監(jiān)視。

（3）跨尺度的無人平臺(tái)組合將是未來微型機(jī)器人應(yīng)用的重點(diǎn)研究方向。微納撲翼飛行器與傳統(tǒng)無人平臺(tái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，促進(jìn)無人裝備跨尺度融合發(fā)展，能充分發(fā)揮無人平臺(tái)在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中的效力。微飛行器載荷能力與續(xù)航能力有限，適合近距離的偵察、情報(bào)獲取和定向攻擊等任務(wù)，可用于補(bǔ)充中小型無人平臺(tái)由于體積限制無法執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的場(chǎng)景，提升無人平臺(tái)綜合作戰(zhàn)能力，促進(jìn)無人平臺(tái)多尺度體系能力的快速形成。

（4）在民用方面，微納撲翼飛行器的應(yīng)用潛力也是十分巨大。在智能檢測(cè)方面，可廣泛運(yùn)用于農(nóng)、林、牧、漁以及一些工業(yè)生產(chǎn)的巡檢、安全保障等方面；還可用于復(fù)雜未知環(huán)境中的勘探、地圖的測(cè)繪、考古以及災(zāi)后救援等。

5 微納撲翼飛行器發(fā)展建議

聚焦我國未來在智能無人系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展需求，結(jié)合當(dāng)前微納飛行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、能源驅(qū)動(dòng)方法以及運(yùn)動(dòng)控制等方面所面臨的挑戰(zhàn)，給出了微納飛行器未來發(fā)展的研究建議。

（1）體積超微型化

微納機(jī)器人的核心優(yōu)勢(shì)就是體積小和質(zhì)量輕，所以在微納飛行器未來的發(fā)展中，需要牢牢把握這一點(diǎn)，研發(fā)出超微型的微納飛行器，利用其極強(qiáng)的隱蔽性優(yōu)勢(shì)，在一些特殊環(huán)境（如戰(zhàn)場(chǎng)、跟蹤罪犯等）中靈活隱蔽地完成偵察、監(jiān)聽等任務(wù)。

（2）加工制造批量化與智能化

微納機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是單個(gè)機(jī)器人的材料成本普遍遠(yuǎn)低于大尺寸機(jī)器人，因此需要研發(fā)出針對(duì)微納飛行器的批量化制造工藝，大幅度降低微納飛行器的制造成本，同時(shí)加工過程應(yīng)更加智能化，工藝流程、加工進(jìn)度以及加工精度的控制應(yīng)符合智能制造的要求，使智能微納飛行器能更快投入生產(chǎn)應(yīng)用。

（3）結(jié)構(gòu)功能仿生化

圍繞仿生結(jié)構(gòu)“可自愈、自生長、自組織、自進(jìn)化”的應(yīng)用需求，構(gòu)建用于提升微納飛行器系統(tǒng)仿生功能的智能化綜合平臺(tái)，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型更加智能化，同時(shí)使微納飛行器仿生優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步拓寬。

（4）供能驅(qū)動(dòng)高效智能化

研發(fā)能量密度更高的能源，或是通過飛行器智能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自身功耗來延長機(jī)器人的持續(xù)工作時(shí)間；研發(fā)更高效更智能的驅(qū)動(dòng)方式來提高微納飛行器的負(fù)載、運(yùn)動(dòng)以及續(xù)航能力。

（5）控制智能集群化

用于宏觀環(huán)境下作業(yè)時(shí)，通常需要數(shù)個(gè)微納飛行器合作完成任務(wù)，類似于蜂群，在單個(gè)微納飛行器運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，通過布置多個(gè)微納飛行器進(jìn)行集群控制與協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)群體間的緊密合作；還可以通過對(duì)微納飛行器分組搭載不同的傳感器，進(jìn)行信息的交流和綜合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同態(tài)勢(shì)感知和信息共享，進(jìn)而進(jìn)行群體智能決策。

6 結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)、材料科學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、微納制造技術(shù)與人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，微納撲翼飛行器的研究已經(jīng)取得一定的成果，但在微納撲翼飛行器的高集成度、無線高效驅(qū)動(dòng)、微型高密度能源供應(yīng)、自主感知以及集群控制等方面仍有巨大的發(fā)展空間，未來微納撲翼飛行器的發(fā)展與應(yīng)用呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：（1）微型化，其核心是利用尺度優(yōu)勢(shì)，來提高其隱蔽性與戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性；（2）集成化，在單個(gè)飛行器上集成多種傳感器與執(zhí)行器，使飛行器多功能化，能夠完成多種作戰(zhàn)任務(wù)；（3）智能集群化，通過控制手段，使飛行器群體能自主地、高效協(xié)同地完成作戰(zhàn)任務(wù)，合作完成單個(gè)飛行器無法完成的特殊任務(wù)（如聯(lián)合偵察、集體殺傷目標(biāo)、戰(zhàn)場(chǎng)搜救等）；（4）能量致密化，研發(fā)能量密度更高的能源，或是通過降低飛行器的功耗來延長其持續(xù)工作的時(shí)間；（5）驅(qū)動(dòng)高效化，研發(fā)更高效的驅(qū)動(dòng)方式來提高微飛行器的負(fù)載和續(xù)航能力；（6）生產(chǎn)批量化，通過開發(fā)微加工工藝來實(shí)現(xiàn)飛行器的批量生產(chǎn)化，以降低制造成本。