肖揚(yáng)宏，崔 峰，張逸晨，趙佳欣，吳朝封，肖一鳴

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系微米納米加工技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

1 引 言

無(wú)論是從飛行外觀還是從飛行機(jī)制上來(lái)講，蝴蝶都與自然界的大多數(shù)昆蟲(chóng)存在很大差異。首先從翅膀來(lái)看，相比蜻蜓、蚊子等常見(jiàn)的昆蟲(chóng)，蝴蝶的翅膀具有極大的展弦比，基本接近于1∶1，這一特性導(dǎo)致蝴蝶在揮動(dòng)翅膀進(jìn)行撲翼飛行的過(guò)程中需要克服極大的空氣阻力，這要求蝴蝶自身提供很大的輸出力矩，所以可以很直觀觀察到蝴蝶的撲翼頻率很慢，最高在10 Hz左右，相比果蠅可以達(dá)到250 Hz的撲翼頻率要低很多［1］。大多數(shù)具有狹長(zhǎng)翅形的昆蟲(chóng)在翅膀上下拍動(dòng)時(shí)，會(huì)形成一個(gè)接近水平的劃水平面，因而翅膀無(wú)論是向上運(yùn)動(dòng)還是向下運(yùn)動(dòng)，都可以產(chǎn)生一個(gè)向上的升力，同時(shí)還可以通過(guò)調(diào)節(jié)撲翼方式，抵消向周?chē)灰频牧?，?shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的懸停飛行［2］，而蝴蝶則不同，無(wú)法懸停，其上下?lián)湟淼倪^(guò)程其實(shí)更類(lèi)似于鳥(niǎo)類(lèi)撲翼（蜂鳥(niǎo)除外，蜂鳥(niǎo)的撲翼方式與狹長(zhǎng)翼昆蟲(chóng)類(lèi)似）。

但相比鳥(niǎo)類(lèi)飛行，蝴蝶在結(jié)構(gòu)和飛行機(jī)制上也存在著許多的不同。首先，鳥(niǎo)類(lèi)有比較寬大的尾巴，雖然同樣不能懸停，但通過(guò)尾巴控制面，鳥(niǎo)類(lèi)可以進(jìn)行姿態(tài)和飛行控制［2］。其次，鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀附著有大量的羽毛，可以通過(guò)羽毛的收縮和舒展控制上下?lián)湟磉^(guò)程與空氣的接觸面積大小來(lái)形成升力阻力差。此外，鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀可以很靈活地伸展收回，這一特點(diǎn)應(yīng)用于撲翼飛行可以進(jìn)一步提升飛行時(shí)的升力，同時(shí)在上拍過(guò)程中通過(guò)收翼減小阻力。

所以，不同于傳統(tǒng)昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)，蝴蝶有著自己獨(dú)特的撲翼飛行方式，同時(shí)由于其低頻撲翼特性，所以具有低噪聲、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)吸引了許多研究者對(duì)其撲翼機(jī)制進(jìn)行了深入研究，并且越來(lái)越多研究者開(kāi)展了仿蝴蝶撲翼飛行器（Butterfly Inspired Flapping Wing Air Vehicle，BIFAV）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。

本文著手于近年來(lái)研究者們?cè)诜潞麚湟盹w行器領(lǐng)域所取得的成果，主要從飛行機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造、撲翼驅(qū)動(dòng)與控制方案方面進(jìn)行闡述分析，同時(shí)結(jié)合目前的研究指出了BIFAV 在尺寸大小、飛行靈活性、續(xù)航時(shí)間、控制魯棒性、仿生的逼真性方面存在的一些挑戰(zhàn)，最后在結(jié)束語(yǔ)中對(duì)BIFAV未來(lái)的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

2 飛行機(jī)理

近二十年來(lái)，隨著人們對(duì)昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)等生物飛行機(jī)理研究的不斷深入，想要成功設(shè)計(jì)并制造出一款可以飛行的仿生撲翼飛行器，至少需要滿(mǎn)足兩個(gè)條件，其一是產(chǎn)生足夠的升力和推力來(lái)克服重力飛行，其二是能夠保證穩(wěn)定可控飛行。關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行器飛行機(jī)理的研究，也主要是基于上述兩點(diǎn)開(kāi)展的。

2.1 升力和推力機(jī)制

蝴蝶主要是通過(guò)“阻力原理”進(jìn)行拍動(dòng)飛行，平衡身體重量的升力和克服身體阻力的推力均由翅膀的阻力提供，蝴蝶在下拍過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的瞬態(tài)阻力，每次下拍中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由前緣渦、翅端渦及啟動(dòng)渦構(gòu)成的強(qiáng)“渦環(huán)”，其包含一個(gè)沿拍動(dòng)方向的射流，產(chǎn)生此射流的反作用力即翅膀的阻力［3］，如圖1 所示。平衡身體重量的升力主要由翅膀下拍中產(chǎn)生的阻力提供。上拍時(shí)，由于身體上仰，上拍實(shí)際是向后和向上拍動(dòng)，提供了蝴蝶前進(jìn)過(guò)程中克服阻力的推力，如圖2所示。

圖1 蝴蝶下拍時(shí)翅面附近流場(chǎng)的等渦量面俯視圖[3]Fig.1 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot down[3]

圖2 蝴蝶上拍時(shí)翅面附近流場(chǎng)的等渦量面俯視圖[3]Fig.2 Top view of the isovortex surface of the flow field near the wing surface when the butterfly is shot up[3]

北京航空航天大學(xué)的孫茂等就黑框藍(lán)閃蝶前飛時(shí)的氣動(dòng)特性，通過(guò)在運(yùn)動(dòng)重疊網(wǎng)格上數(shù)值求解Naivie-Stokes 方程進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)獲得了蝴蝶前飛過(guò)程中的升力、推力公式以及對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)

式中，V，T，Cv分別代表升力、推力以及升力系數(shù)，ρ為流體密度，U為蝴蝶對(duì)應(yīng)流體的參考速度，S為翅膀面積［3］。

蝴蝶在上拍的過(guò)程中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)所需要的推力的同時(shí)，也不可避免地引入了一部分向下的力，這部分力會(huì)阻礙蝴蝶上升，值得注意的是這部分力雖然會(huì)抵消一部分下拍過(guò)程中產(chǎn)生的升力，但相較而言，這部分阻力要小得多。

俄亥俄州立大學(xué)的陳前川等設(shè)計(jì)了一款基于蝴蝶飛行原理的仿生蝴蝶樣機(jī)，如圖3 所示［4］。通過(guò)研究表明，仿生蝴蝶在下拍過(guò)程中，其前后翼會(huì)充分舒展，獲得最大的總迎風(fēng)面積，以得到更大的平均升力，而在上撲過(guò)程中，其前后翼會(huì)進(jìn)行一定的收攏，從而減小向下的空氣阻力，如此往復(fù)便可以得到一個(gè)向上的凈升力。

圖3 陳前川等設(shè)計(jì)的仿蝴蝶樣機(jī)[4]Fig.3 Imitation butterfly prototype designed by Chen Qianchuan et al[4]

自然界的昆蟲(chóng)在撲翼過(guò)程中可以很靈活地去改變翅翼的迎風(fēng)面積，尤其是像蝴蝶這樣翼面積很大的個(gè)例，其翼面積可改變的空間很大，通過(guò)改變前后翅相互疊合的程度，可以很好地提升下拍過(guò)程中產(chǎn)生的升力和減小上拍過(guò)程中的負(fù)升力。

此外，蝴蝶翅膀柔性很大，在撲動(dòng)過(guò)程中可以產(chǎn)生很大的柔性變形，可以向后推動(dòng)更多的空氣，從而進(jìn)一步產(chǎn)生更大的推進(jìn)力。

2.2 穩(wěn)定機(jī)制

事實(shí)上，為了保證飛行的穩(wěn)定性，蝴蝶除了需要撲動(dòng)翅膀來(lái)獲得足夠的升力，還需要一定的機(jī)制去平衡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)靈活地去調(diào)整飛行姿態(tài)，與鳥(niǎo)類(lèi)利用尾翼平衡調(diào)整姿態(tài)以及果蠅等昆蟲(chóng)高速前后拍打翅膀?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的翻滾操作不同，蝴蝶主要通過(guò)在拍打翅膀的同時(shí)靈活移動(dòng)身體來(lái)完成各種飛行動(dòng)作。

北京航空航天大學(xué)的Zhang Y等通過(guò)高速相機(jī)記錄了蝴蝶在自由飛行過(guò)程中腹部的擺動(dòng)、翅膀的運(yùn)動(dòng)以及身體的俯仰角，證明蝴蝶的翅膀和身體在不同的飛行狀態(tài)下是存在耦合的，如圖4 所示［5］?；谶@一研究發(fā)現(xiàn)，建立了真實(shí)蝴蝶尺寸的三維剛體模型，并對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析，得到了蝴蝶前飛的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，此外還介紹了前飛過(guò)程中三維渦結(jié)構(gòu)的形成和變化，表明腹部擺動(dòng)對(duì)蝴蝶撲翼過(guò)程中的重新定向和方向糾正起著關(guān)鍵作用。

圖4 高速相機(jī)下蝴蝶一次撲翼動(dòng)作的分解[5]Fig.4 Decomposition of a butterfly’s flapping wing action under a high-speed camera[5]

針對(duì)這一特點(diǎn)，阿拉巴馬大學(xué)亨茲維爾分校的Sridhar 等也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，將所建立的模型與捕捉到的帝王蝶的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了比較，證明了蝴蝶腹部的抖動(dòng)在增加帝王蝶爬升率和前進(jìn)速度的同時(shí)，還使其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的周期軌道。并且其通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出俯仰運(yùn)動(dòng)的平衡位為34°時(shí)，在測(cè)試速度范圍內(nèi)，飛行速度對(duì)氣動(dòng)力的影響是相對(duì)線(xiàn)性的。撲翼產(chǎn)生的平均升力和阻力隨飛行速度同步增大，瞬時(shí)氣動(dòng)力峰值隨之增大。隨著升力不斷增大，阻力則先減小后增大。在選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)情況下，可以確保升力和推力足以實(shí)現(xiàn)飛行。此外撲翼角的幅值盡量不大，研究表明，蝴蝶在60°撲翼角時(shí)具有較大的平均升力，并產(chǎn)生一定的推力。蝴蝶根據(jù)不同的升力要求，通過(guò)胸腹調(diào)整身體俯仰運(yùn)動(dòng)從而實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以達(dá)到最佳的運(yùn)動(dòng)性能［6］。

除此之外，Tejaswi 等更是在2021 年利用這一原理建立了撲翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)。以帝王蝶為靈感，其模型為由頭部、胸部、腹部和兩個(gè)翅膀組成的鉸鏈體。利用流體上的準(zhǔn)定?？諝鈩?dòng)力學(xué)假設(shè)和拉格朗日學(xué)研究了其動(dòng)力學(xué)原理，其次針對(duì)所提出的鉸鏈剛體模型設(shè)計(jì)了非線(xiàn)性的控制系統(tǒng)，通過(guò)這一控制系統(tǒng)產(chǎn)生胸部和腹部的最佳運(yùn)動(dòng)。其研究結(jié)果表面蝴蝶腹部的抖動(dòng)提高了飛行的能量效率，減少了總能量和撲翼期間功率的變化，并通過(guò)提高收斂速度和擴(kuò)大吸引力區(qū)域進(jìn)一步改善了飛行穩(wěn)定性，再一次印證了腹部抖動(dòng)對(duì)于蝴蝶周期運(yùn)動(dòng)和飛行穩(wěn)定性的影響［7］。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

近年來(lái)，除了對(duì)蝴蝶撲翼飛行機(jī)制的研究逐漸清晰之外，也有越來(lái)越多的研究者嘗試去設(shè)計(jì)和制作一些真正意義上的可自主撲翼的仿蝴蝶飛行器。近十年來(lái)，研究者們?cè)诜潞麚湟盹w行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造這一領(lǐng)域取得了不錯(cuò)的研究成果。下面分別闡述仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝情況。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

關(guān)于仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別就四翅型結(jié)構(gòu)和兩翅型結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

3.1.1 四翅型結(jié)構(gòu)

首先需要提及的是總部位于德國(guó)Esslingen 的一家涉足于仿生機(jī)器人領(lǐng)域的公司——Festo。它于2016 年申請(qǐng)通過(guò)了一項(xiàng)關(guān)于仿生蝴蝶的專(zhuān)利并將該仿蝴蝶撲翼飛行器命名為eMotionButterfly［8］。

Festo 通過(guò)材料、工藝與制造整合，研制出一款真正可以飛行的機(jī)械仿生蝴蝶，如圖5 所示。其機(jī)身以及翅脈完全采用輕質(zhì)高強(qiáng)度高韌性的碳纖維材料，同時(shí)在翅脈上披覆有彈性電鍍膜翼面，整體翅膀具有很好的柔性。通過(guò)測(cè)量與測(cè)試，F(xiàn)esto 設(shè)計(jì)制造的仿生蝴蝶翼展為50 cm，質(zhì)量?jī)H有32 g，撲翼頻率不到 3 Hz，具備集群活動(dòng)與自主避障的能力，飛行速度為 1～2.5 m/s，飛行時(shí)間可持續(xù) 3～4 min。

圖5 Festo仿生蝴蝶eMotionButterfly[8]Fig.5 Festo bionic butterfly eMotionButterfly[8]

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)對(duì)于仿蝴蝶撲翼飛行器的研究雖然較晚，但在設(shè)計(jì)與制造方面也做了許多的嘗試。上海交通大學(xué)的冷燁等針對(duì)Festo 的仿生蝴蝶進(jìn)行了研究，并自主設(shè)計(jì)出一套仿蝴蝶撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)制造方案，其翼內(nèi)邊緣和翼梁角度在70°～110°，翼內(nèi)邊緣可以平行于軀干縱向軸線(xiàn)，相對(duì)于身體縱向軸線(xiàn)占據(jù)銳角。此外，其飛行器副翼設(shè)計(jì)成柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，主翼在副翼之上，在下拍過(guò)程中主翼通過(guò)與副翼重疊部分帶動(dòng)整個(gè)翅膀向下拍動(dòng)，迎風(fēng)面積最大，而在翅膀上撲時(shí)，由于副翼在主動(dòng)翼下方，且連接處為柔性鉸鏈，所以主翼和副翼在上撲這一階段會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相位差，從而使迎風(fēng)面逐漸減小，最終獲得一個(gè)向上的凈升力。根據(jù)此套方案加工組裝后的樣機(jī)如圖6 所示，其翼展為49.8 cm，機(jī)身長(zhǎng)37.9 cm，總質(zhì)量32.2 g，撲翼頻率在1 Hz 左右，最大拍打角和扭轉(zhuǎn)角分別為136°和30°［9］。

圖6 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蝴蝶樣機(jī)[9]Fig.6 Bionic butterfly prototype of Shanghai JiaoTong University[9]

3.1.2 兩翅型結(jié)構(gòu)

除了類(lèi)Festo 構(gòu)型的仿蝴蝶撲翼飛行器，一些研究者對(duì)于其他一些構(gòu)型的蝴蝶也做了嘗試。北京航空航天大學(xué)的Chi X 等基于仿生原理，設(shè)計(jì)并制造了一種無(wú)尾蝶式仿生撲翼飛行器，與Festo 不同，北京航空航天大學(xué)的仿生蝴蝶并未采用四翅的方案，而是在翅膀設(shè)計(jì)之初將其簡(jiǎn)化為兩翅模型。不過(guò)翅膀仍是采用薄膜與超高模量碳纖維棒來(lái)制作，如圖7 所示。在機(jī)身部分，該研究團(tuán)隊(duì)選用塑料材料，并且自主設(shè)計(jì)了每個(gè)零件的內(nèi)部構(gòu)造，按照需求使得機(jī)翼可以通過(guò)機(jī)身上的固定接頭保持在適當(dāng)位置，方便翅膀沿著平行于跨度方向的軸旋轉(zhuǎn)。最終樣機(jī)的翼展為64.8 cm，整機(jī)質(zhì)量為38.6 g，撲翼頻率為2 Hz，飛行速度1.5 m/s，可在一定條件下實(shí)現(xiàn)1 min的巡航飛行［10］。

圖7 北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蝴蝶翅膀構(gòu)型[10]Fig.7 Bionic butterfly wing configuration designed by Beihang University[10]

南京航空航天大學(xué)的程宏寶同樣采用了其他構(gòu)型，以黑框藍(lán)閃蝶為基礎(chǔ)原型，對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與北京航空航天大學(xué)類(lèi)似，南航也是采取兩翼式的簡(jiǎn)化方式，如圖8 所示。但與之前的研究者不同的是，其在設(shè)計(jì)翅膀時(shí)并未采用碳纖維包絡(luò)翅膀外緣的方式，而是進(jìn)一步進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。并且對(duì)該構(gòu)型的翅脈排布方式進(jìn)行了建模仿真，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上得出了最優(yōu)的翅脈排布方式。根據(jù)此套方案設(shè)計(jì)出來(lái)的仿生蝴蝶翼展為49.3 cm，質(zhì)量控制在31.45 g，通過(guò)試飛測(cè)得最大撲翼頻率可達(dá)6 Hz，相比Festo 的仿生蝴蝶有了很大的提升，飛行速度達(dá)1 m/s，續(xù)航時(shí)間3 min，飛行高度2 m［11］。

圖8 南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蝴蝶構(gòu)型[11]Fig.8 Bionic butterfly configuration designed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[11]

3.2 制造工藝

在仿蝴蝶撲翼飛行器的制造工藝方面，研究者們根據(jù)自身的探索獲得了許多可行的制造方案。

首先是撲翼結(jié)構(gòu)材料方面。大多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)都是采用高強(qiáng)度輕質(zhì)碳纖維棒作為翅脈主材料，然后在碳纖維棒上披覆輕質(zhì)薄膜，至于機(jī)架和連接件也大多采用聚酯材料或碳纖維。但也有特例，例如，日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就采用輕木木材、聚氨酯和聚合物薄膜加上橡皮筋制成了一種人造蝴蝶，其自重可以低至與普通鳳蝶相近，可以維持幾秒鐘的飛行［12］。

其次是撲翼翅膀制造方法。仿蝴蝶撲翼飛行器主要性能好壞很大程度上取決于翅膀的制造，其主要的制造難點(diǎn)就在于如何將翅膜披覆至翅脈上。最直接的方法就是使用透明膠或者雙面膠直接將翅膜固定在翅脈上，例如南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蝴蝶。但此類(lèi)方法比較適合于翅膀結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的構(gòu)型，因?yàn)橥该髂z粘合的強(qiáng)度和持久度都不是很好［13］。第二種方法就是采用中間連接套管的方式，事先對(duì)翅脈交界處設(shè)計(jì)連接套管，然后將套管用高強(qiáng)度膠水（如401 膠水）粘在翅膜對(duì)應(yīng)的位置，再將翅脈插到套管上相應(yīng)的位置，此類(lèi)方法適用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的翅膀構(gòu)型，缺點(diǎn)在于要適當(dāng)選擇翅膜和使用的膠水，因?yàn)椴煌z水在不同材質(zhì)膜上的粘黏效果差別很大［14］。最后一種是叫做真空袋工藝的制造方法［15］。它采用碳纖維預(yù)浸料為翅脈材料，利用碳纖維預(yù)浸料本身帶有的膠，可以將其按預(yù)設(shè)的翅脈分布方案暫時(shí)粘在PET 膜上，然后將真空袋組合結(jié)構(gòu)放入恒溫箱中，利用抽氣泵形成袋內(nèi)真空環(huán)境，使組合結(jié)構(gòu)在高溫高壓的環(huán)境下烘烤。烘烤過(guò)后的碳纖維預(yù)浸料具有較高的強(qiáng)度，且與PET 膜牢固地粘連，這樣便可以得到一個(gè)完整的翅膀。成形后的翅膀依靠翅脈的支撐，具有一定的剛度與穩(wěn)定的形態(tài)，不會(huì)輕易地發(fā)生翅膀平面內(nèi)方向的折疊、變形。其優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕且更加可控，受手工精度影響更小，但同時(shí)需要實(shí)際去試驗(yàn)包括預(yù)浸料寬度、厚度以及翅脈排布等因素在內(nèi)的參數(shù)，否則制造出來(lái)的翅膀剛度會(huì)很大，無(wú)法發(fā)生足夠的柔性形變，并且還會(huì)很脆，容易受到撞擊而斷裂。

最后是關(guān)于機(jī)架和連接件的制造方法。機(jī)架的選取基本都是采用管徑稍大的碳纖維桿。而連接件則是包括舵機(jī)與機(jī)架、舵機(jī)與翅膀以及前文所提及的翅膀上可能存在的一些翅脈套管，這些部分的制造主要有兩種方案。其一是采用3D 打印直接成型，主要針對(duì)一些立體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的部件［16］；其二是使用碳纖維板材進(jìn)行激光切割制造，主要針對(duì)一些結(jié)構(gòu)不復(fù)雜但是強(qiáng)度要求很高的部件［17］。

4 撲翼驅(qū)動(dòng)與控制方案

本部分介紹仿蝴蝶飛行器撲翼?yè)鋭?dòng)的驅(qū)動(dòng)方式、撲翼拍打傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源及其飛行姿態(tài)控制方法。

4.1 撲翼的驅(qū)動(dòng)方式

現(xiàn)有的大多數(shù)仿昆蟲(chóng)以及仿鳥(niǎo)飛行器的撲翼驅(qū)動(dòng)方案主要集中在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)以及電磁驅(qū)動(dòng)這三種。

直流電機(jī)通常被用作傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)和仿生撲翼飛行器的主要推進(jìn)系統(tǒng)，因?yàn)樗哂懈咝?、高魯棒性、低成本和低電壓運(yùn)行時(shí)的高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，適用于機(jī)載電源，如鋰聚合物電池。然而，與大多數(shù)微型無(wú)人機(jī)中電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式不同，仿生撲翼飛行器通常需要齒輪箱來(lái)放大電機(jī)的輸出扭矩，并需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)翼的相互運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致重量增加、功率損失和飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。在昆蟲(chóng)的小尺度下，低效的驅(qū)動(dòng)性能和制造技術(shù)難度限制了直流電機(jī)在超微型撲翼飛行器中的使用［18-19］。而壓電驅(qū)動(dòng)方式由于響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)位移和驅(qū)動(dòng)力較大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在小尺度的皮級(jí)及納級(jí)飛行器中得以廣泛應(yīng)用［20-22］。但壓電驅(qū)動(dòng)器由于需要很高的工作電壓（通常是上百伏），故而電磁驅(qū)動(dòng)器成為又一昆蟲(chóng)級(jí)仿生微撲翼飛行器的替代驅(qū)動(dòng)策略，因其工作電壓低避免了使用復(fù)雜的電力電子設(shè)備。因此，許多電磁驅(qū)動(dòng)的仿生撲翼飛行器被開(kāi)發(fā)出來(lái)［23-25］。

這三種不同的驅(qū)動(dòng)方式也對(duì)應(yīng)著撲翼飛行器相應(yīng)的翼展尺度和質(zhì)量大小，如圖9 所示。根據(jù)翼展和樣機(jī)質(zhì)量的不同，仿生撲翼飛行器一般可以分為微型級(jí)飛行器（翼展＜ 1 m，質(zhì)量＜ 2 kg［26］）、納級(jí)飛行器（翼展＜ 75 mm，質(zhì)量＜ 10 g［27］）和皮級(jí)飛行器（翼展＜ 50 mm，質(zhì)量＜ 500 mg［28］）。圖中PAV、NAV、MAV 分別代表皮級(jí)［26］、納級(jí)［27］以及微型級(jí)［28］仿生撲翼飛行器。

圖9 采用不同驅(qū)動(dòng)器的撲翼飛行器自身質(zhì)量與翼展的關(guān)系[2]Fig.9 The relationship between the mass and wingspan of a flapping wing aircraft with different drives[2]

針對(duì)目前仿生蝴蝶飛行器的尺寸，其驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，由于仿生蝴蝶飛行器的撲翼頻率低，同時(shí)翅膀面積大，在拍打過(guò)程中受到空氣的阻力遠(yuǎn)比一般昆蟲(chóng)大，這就需要驅(qū)動(dòng)器能夠提供足夠大的輸出力矩。因此，包括Festo 在內(nèi)，上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及南京航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，其仿生蝴蝶的驅(qū)動(dòng)方案都是采用含有伺服電機(jī)的微型舵機(jī)直驅(qū)的方式。相比電機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)中的伺服電機(jī)具有速度慢、輸出力矩大的特性，可以很好匹配蝴蝶撲翼頻率低、撲翼阻力大的特點(diǎn)。此外，舵機(jī)直驅(qū)的方式節(jié)省了中間的傳動(dòng)裝置，使結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔，如果換用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了提供足夠大的輸出力矩，需要在驅(qū)動(dòng)器與翅膀之間添加一定的減速機(jī)構(gòu)，這無(wú)疑增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。

4.2 撲翼拍打傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

除了舵機(jī)直驅(qū)撲翼機(jī)構(gòu)，下面介紹仿蝴蝶飛行器的其它多種撲翼拍打的動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

上海交通大學(xué)的Zhou 等針對(duì)昆蟲(chóng)飛行時(shí)的“8-字形”撲翼拍打方式，設(shè)計(jì)了一款能夠產(chǎn)生“8-字形”撲動(dòng)軌跡的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖10所示。該機(jī)構(gòu)由齒輪組、連桿機(jī)構(gòu)、復(fù)合鉸鏈與機(jī)架構(gòu)成，整體撲動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量約6.8 g。隨后，將該機(jī)構(gòu)應(yīng)用于其設(shè)計(jì)的仿蝴蝶撲翼飛行器上。測(cè)試結(jié)果表明，該撲翼飛行器可以產(chǎn)生完整的“8-字形”軌跡，且具有一定的強(qiáng)度，可以承受最大頻率為 15 Hz的拍打，同時(shí)表明在拍擊振幅為60°的情況下，“8-字形”的拍打機(jī)構(gòu)有望產(chǎn)生比普通直線(xiàn)拍打機(jī)構(gòu)更大的升力，說(shuō)明“8-字形”的模擬拍打方法確實(shí)可以在一定程度上提高升力，也印證了為何自然界的部分昆蟲(chóng)會(huì)采取“8-字形”的撲翼方式［29］。

圖10 “8字形”撲動(dòng)機(jī)構(gòu)[29]Fig.10 “8-shaped” flapping mechanism[29]

2013 年南昌航空航天大學(xué)的雷亞超提出過(guò)一種齒輪傳動(dòng)撲翼機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案，如圖11 所示。以平面四桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)解析法設(shè)計(jì)了具有急回特性的撲翼機(jī)構(gòu)，并以 solidworks 軟件為平臺(tái)，建立了撲翼機(jī)構(gòu)的三維模型，進(jìn)行了撲翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，其把仿真結(jié)果與解析法設(shè)計(jì)的撲翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了解析法設(shè)計(jì)急回特性的撲翼機(jī)構(gòu)的可行性和可靠性［30］。

圖11 南昌航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的仿生蝴蝶撲翼機(jī)構(gòu)[30]Fig.11 Bionic butterfly flapping wing mechanism designed by Nanchang University of Aeronautics and Astronautics[30]

河海大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于曲柄搖桿連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款由曲柄滑塊和導(dǎo)桿組成的撲翼機(jī)構(gòu)，使得仿生蝴蝶可以無(wú)程序控制速度和轉(zhuǎn)矩變化，如圖12 所示。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的輸入由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的一級(jí)減速器提供，可實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的周期性撲動(dòng)，并可調(diào)節(jié)機(jī)翼的撲動(dòng)頻率。同時(shí)該飛行器設(shè)有轉(zhuǎn)向尾和升降尾，其輸入由舵機(jī)提供，實(shí)現(xiàn)了飛行高度和方向的可控性。將運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模的仿真結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明了該飛行機(jī)構(gòu)的可行性［31］。該飛行撲動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為仿生撲翼機(jī)構(gòu)提供了一種新的可行方案。

圖12 河海大學(xué)設(shè)計(jì)的撲翼機(jī)構(gòu)[31]Fig.12 Flapping wing mechanism designed by Hehai University[31]

北京科技大學(xué)的賀威團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于線(xiàn)驅(qū)轉(zhuǎn)向的仿蝴蝶撲翼飛行器USTButterfly-S，其驅(qū)動(dòng)方式和控制方式較舵機(jī)直驅(qū)的仿生蝴蝶有了很大的改變。首先，其主體的驅(qū)動(dòng)器由兩個(gè)舵機(jī)換成了一個(gè)空心杯電機(jī)，通過(guò)其自制的減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為翅膀的拍動(dòng)動(dòng)作，如圖13所示。

圖13 USTButterfly-S的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[1]Fig.13 USTButterfly-S’s driving mechanism[1]

此種驅(qū)動(dòng)方式雖然省去了兩個(gè)舵機(jī)，減小了一部分質(zhì)量，但也使得兩翼的運(yùn)動(dòng)一直都是同步，無(wú)法完成姿態(tài)變化，故而其團(tuán)隊(duì)提出了一種線(xiàn)驅(qū)的運(yùn)動(dòng)控制方式，即通過(guò)兩根細(xì)線(xiàn)連在兩翼上，然后將兩線(xiàn)纏繞至一個(gè)極輕的微型舵機(jī)上，通過(guò)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向來(lái)向不同方向拉緊細(xì)線(xiàn)，從而達(dá)到控制兩翼不同撲翼行為的目的，如圖14 所示。最終制作的USTButterfly-S 仿生蝴蝶樣機(jī)的翼展為50 cm，質(zhì)量50 g，最大撲翼頻率達(dá)5 Hz，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)5 min的自由可控飛行［1］。

圖14 USTButterfly-S轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[1]Fig.14 USTButterfly-S’s steering mechanism[1]

綜上所述，雖然舵機(jī)直驅(qū)是目前仿蝴蝶撲翼飛行器的主流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，但沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，舵機(jī)本身還是難以完成一些精巧的動(dòng)作，故而上述研究者對(duì)于仿蝴蝶撲翼飛行器撲翼拍打傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究，為進(jìn)一步提高仿生蝴蝶的撲翼效率提供了重要幫助。

4.3 驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源

仿蝴蝶撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源大多采用高密度鋰電池，相比傳統(tǒng)電池，在為飛行器的飛行提供足夠電量滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間飛行的同時(shí)，可以很大程度上減小飛行器的負(fù)載。

除了搭載鋰電池外，有些研究團(tuán)隊(duì)也基于一些巧妙的機(jī)械儲(chǔ)能手段，為仿生蝴蝶提供動(dòng)力源，比如日本東京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)利用橡皮筋的儲(chǔ)能特性完成了仿鳳蝶撲翼機(jī)的短暫飛行［12］。雖然這一方法暫時(shí)不能維持仿蝴蝶撲翼飛行器的持久飛行，但為仿蝴蝶撲翼飛行器飛行時(shí)的能量節(jié)省提供了思路。事實(shí)上，柔性元件除了存儲(chǔ)能量，另一方面可以提高傳動(dòng)效率。上海交通大學(xué)的鄒才均等就曾研究過(guò)高效柔性傳動(dòng)鉸鏈在仿昆蟲(chóng)撲翼飛行器中的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)的整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)剛度是其并聯(lián)剛度的135 倍，滿(mǎn)足了高效傳遞能量的要求；翅膀撲打角峰值達(dá)到99.6°，較好地符合了仿昆撲翼微飛行器的設(shè)計(jì)要求［32］。

4.4 飛行姿態(tài)控制方法

借鑒昆蟲(chóng)的飛行控制策略，目前針對(duì)撲翼飛行器的飛行姿態(tài)（指俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏航角度）已經(jīng)提出了許多控制方法，并在無(wú)尾撲翼飛行器中成功地實(shí)現(xiàn)了受控飛行。

為了控制撲翼飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)，平均升力矢量可以在質(zhì)心前后移動(dòng)或傾斜，從而產(chǎn)生俯仰扭矩，這可以通過(guò)調(diào)節(jié)翅膀扭曲來(lái)實(shí)現(xiàn)［27］。而控制滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方法有兩種，其一是通過(guò)左右翼的不對(duì)稱(chēng)升力來(lái)實(shí)現(xiàn)［27，33-34］，其二是通過(guò)改變沖程平面以產(chǎn)生側(cè)向力，利用旋轉(zhuǎn)撲翼機(jī)構(gòu)使兩翼的沖程平面向同一方向傾斜實(shí)現(xiàn)［35］，由于固定的翼根梁支持額外的滾轉(zhuǎn)扭矩來(lái)控制滾轉(zhuǎn)，因此傾斜會(huì)導(dǎo)致兩翼產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)扭曲。偏航運(yùn)動(dòng)不影響無(wú)尾式撲翼飛行器的垂直穩(wěn)定性，這意味著沒(méi)有偏航控制，仍然可以停留在空中。然而，由于不對(duì)稱(chēng)機(jī)翼運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的初始偏航力矩并不能完全抵消，撲翼飛行器可能會(huì)圍繞其機(jī)體軸旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致航向控制困難。此外，與俯仰和滾轉(zhuǎn)控制不同，偏航運(yùn)動(dòng)通常可以通過(guò)在左右翼產(chǎn)生相反的水平力來(lái)控制，例如納米蜂鳥(niǎo)在撲動(dòng)過(guò)程中，就通過(guò)不對(duì)稱(chēng)調(diào)節(jié)兩翼的翼根梁來(lái)改變攻角從而產(chǎn)生偏航力矩［36-37］。

仿蝴蝶撲翼飛行器作為無(wú)尾式撲翼飛行器的代表，其俯仰翻滾及偏航的控制原理基本如上。至于具體到控制器的選用，目前幾乎所有研究的仿蝴蝶飛行器樣機(jī)都是采用意法半導(dǎo)體stm32芯片為核心微控制器，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微型舵機(jī)對(duì)各自翅膀的獨(dú)立控制。微控制器通過(guò)分別輸出不同的PWM 波來(lái)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)舵機(jī)從而控制兩翼的動(dòng)作不一致，最終實(shí)現(xiàn)俯仰、翻滾及偏航操作。

除了基本的驅(qū)動(dòng)與控制，上述的一些仿蝴蝶撲翼飛行器還在微型控制器內(nèi)部集成了姿態(tài)傳感器。例如Festo 的仿蝴蝶飛行器，在幫助飛行器校準(zhǔn)姿態(tài)的同時(shí)還能根據(jù)室內(nèi)定位系統(tǒng)提供的定位，實(shí)現(xiàn)仿生蝴蝶的室內(nèi)自主飛行。除此之外，外部運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)［36，38-39］、車(chē)載傳感器、MEMS 陀螺儀等傳感元件，目前都廣泛用于仿蝴蝶撲翼飛行器的環(huán)境感知和姿態(tài)反饋。

5 總結(jié)分析

現(xiàn)有的仿蝴蝶撲翼飛行器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示，表中研究者未命名的仿蝴蝶撲翼飛行器名稱(chēng)統(tǒng)一采用IBA（Imitation Butterfly Flapping Wing Aircraft）加編號(hào)的方式表示。此外，軀干質(zhì)量是除翅膀質(zhì)量和驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量之外所有質(zhì)量的總和。通過(guò)表中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)這些仿生蝴蝶撲翼機(jī)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)存在著一定的規(guī)律。

表1 現(xiàn)有仿生蝴蝶撲翼飛行器各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 1 Structural parameters of existing bionic butterfly flapping wing aircraft

首先，所研制的仿蝴蝶撲翼飛行器質(zhì)量基本都在30～50 g 的范圍內(nèi)；其翼展基本維持在半米左右，說(shuō)明仿生蝴蝶的尺度與其質(zhì)量是有著很大相關(guān)性的，要想產(chǎn)生足夠大的升力，就需要一對(duì)足夠大的翅膀來(lái)維持。其次，通過(guò)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蝴蝶翅膀的翼面積減小時(shí)，需要通過(guò)提高撲翼的頻率來(lái)獲得足夠的升力。目前相比自然界的蝴蝶，仿生蝴蝶的尺度基本是其五倍左右，根據(jù)這一特點(diǎn)，如果想要接近或者達(dá)到真實(shí)蝴蝶的尺度，必須在撲翼頻率上做到進(jìn)一步提升。最后，通過(guò)分析翅膀質(zhì)量占比可知，在設(shè)計(jì)與制造仿生蝴蝶時(shí)，有相當(dāng)一部分的質(zhì)量都是留給了翅膀，這也與仿生事實(shí)相吻合。自然界蝴蝶很大一部分的質(zhì)量都是集中在翅膀上，這一比例大約在30%左右。

對(duì)現(xiàn)有的仿蝴蝶撲翼飛行器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)情況進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，如表2 所示。其中，質(zhì)量一欄表示的是兩個(gè)舵機(jī)（針對(duì)舵機(jī)直驅(qū)方案）或者整套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（針對(duì)電機(jī)傳動(dòng)與舵機(jī)轉(zhuǎn)向方案）的總質(zhì)量，驅(qū)動(dòng)部分質(zhì)量占比也是這一質(zhì)量占總飛行器質(zhì)量的比例值。通過(guò)表2 也發(fā)現(xiàn)了許多仿生蝴蝶飛行器研制的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，仿生蝴蝶飛行器能否克服重力起飛，驅(qū)動(dòng)器有著至關(guān)重要的作用。根據(jù)表2 可以得出，對(duì)于舵機(jī)直驅(qū)的方案而言，驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行器的升力獲得有決定性的作用。國(guó)內(nèi)三款舵機(jī)直驅(qū)式仿生蝴蝶中有兩款舵機(jī)輸出力矩均可達(dá)到3 kg·cm 以上，而這兩款都可以順利克服重力起飛；相比之下，無(wú)法克服重力起飛的一款，其舵機(jī)輸出力矩要小的多。之前分析過(guò)蝴蝶在撲翼過(guò)程中由于翅膀面積很大，受到的空氣阻力也很大，所以對(duì)舵機(jī)的輸出力矩有很高要求。雖然換用小型輕質(zhì)舵機(jī)可以減小很大一部分質(zhì)量，但通過(guò)數(shù)據(jù)可以很明顯地看到，在質(zhì)量減小一倍的同時(shí)，舵機(jī)的輸出力矩只有原來(lái)的五分之一，很顯然輸出力矩下降遠(yuǎn)比質(zhì)量下降更快，故而盲目更換輕質(zhì)舵機(jī)是不可取的。

表2 現(xiàn)有仿生蝴蝶撲翼飛行器各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)參數(shù)表Table 2 Drive parameters of the existing bionic butterfly flapping wing aircraft

通過(guò)分析表中四款可以克服重力起飛的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量占比也發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)現(xiàn)有尺度的仿生蝴蝶時(shí)，驅(qū)動(dòng)部分的質(zhì)量占比預(yù)算基本在30%～40%。因此，結(jié)合之前翅膀的分析情況，可以總結(jié)得出在設(shè)計(jì)一款仿生蝴蝶飛行器時(shí)，確定其驅(qū)動(dòng)器參數(shù)的步驟流程，如圖15 所示。在確定整機(jī)總重的情況下，可以大致確定其翅膀質(zhì)量以及驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量。由于上述飛行器基本都是采用輕質(zhì)薄膜以及碳纖維桿材作為翅膀原材料，故而在確定翅膀重量的前提下可以大致確定翅膀尺度。由于飛行器總重已事先確定，因此所需要的升力是一定的，在確定所需要的升力以及翅膀的大致面積之后，便可以以此為依據(jù)大致推斷飛行器所需要達(dá)到的撲翼頻率范圍。翅膀的尺度和撲翼頻率決定翅膀在撲翼過(guò)程中所受到的空氣阻力大小，以此為依據(jù)便可估算驅(qū)動(dòng)器所需要的輸出力矩大小，再結(jié)合設(shè)計(jì)之初確定的驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量范圍，便可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)方案選擇。

圖15 確定仿蝴蝶撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)器的步驟流程圖Fig.15 Flow chart of determining the drive of a butterfly inspired flapping wing aircraft

6 當(dāng)前研究挑戰(zhàn)

與固定翼和旋翼飛行器相比，仿生撲翼飛行器具有氣動(dòng)噪聲小、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)以及仿生隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)［40］，因而在民用和軍事領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景［41］。但目前仿蝴蝶撲翼飛行器的研究面臨的許多問(wèn)題使得其無(wú)法很好地發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)。

首先是尺度問(wèn)題。根據(jù)翼展和樣機(jī)質(zhì)量的不同，由前面介紹的微型級(jí)飛行器、納級(jí)飛行器和皮級(jí)飛行器的定義可知，現(xiàn)有仿生蝴蝶飛行器的尺度才剛剛踏入微型級(jí)別的飛行器尺度領(lǐng)域，其半米甚至接近于1 m的翼展尺度，顯然暫時(shí)很難勝任諸如偵察的軍事任務(wù)。

第二是飛行靈活性問(wèn)題。目前所制造出來(lái)的仿蝴蝶撲翼飛行器由于設(shè)計(jì)時(shí)自身結(jié)構(gòu)的局限性，除了起飛之外，暫時(shí)只能完成一些簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向動(dòng)作，無(wú)法主動(dòng)完成真正意義上的俯仰及翻滾動(dòng)作。相比普渡大學(xué)研究的蜂鳥(niǎo)機(jī)器人可以模擬蜂鳥(niǎo)完成快速回避動(dòng)作［42］，代爾夫特大學(xué)的DelFly Nimble 可以完成懸停和避障，甚至可以模仿果蠅完成“極限逃生”任務(wù)［43］，仿生蝴蝶飛行器現(xiàn)階段所能完成的動(dòng)作極為有限，很難承擔(dān)一些對(duì)動(dòng)作精確性要求很高的任務(wù)，諸如救災(zāi)勘探［44］。

第三是續(xù)航時(shí)間問(wèn)題。之前許多仿鳥(niǎo)以及仿昆蟲(chóng)的撲翼飛行器都在續(xù)航時(shí)間上取得了不錯(cuò)的成果。例如，西北工業(yè)大學(xué)在2020 年研制的“信鴿”仿鳥(niǎo)撲翼飛行器，其續(xù)航時(shí)間可到20 min［45］，兩年后研制的“云鸮”仿生撲翼飛行器續(xù)航甚至可達(dá)123 min，當(dāng)然鳥(niǎo)類(lèi)由于其翅膀結(jié)構(gòu)特性，相比昆蟲(chóng)可以通過(guò)滑翔來(lái)提升續(xù)航。相應(yīng)的，在仿昆蟲(chóng)領(lǐng)域，代爾夫特大學(xué)研制的四翼飛行器質(zhì)量為37.9 g，與仿蝴蝶撲翼飛行器的質(zhì)量相當(dāng)，在完成復(fù)雜任務(wù)的同時(shí)，其續(xù)航可達(dá)9 min 以上［46］，相比之下，目前仿蝴蝶撲翼飛行器的續(xù)航時(shí)間基本都在5 min以下，仍然有較大差距。

第四是飛行器控制魯棒性問(wèn)題。在自然界中，昆蟲(chóng)所面臨的飛行環(huán)境復(fù)雜且時(shí)刻變化，再加上其固有的飛行不穩(wěn)定性［47-48］，昆蟲(chóng)便需要依靠自身的主動(dòng)反饋系統(tǒng)（包括鳥(niǎo)類(lèi)也是類(lèi)似）在空中保持穩(wěn)定［49］。反映到仿生撲翼飛行器上，反饋系統(tǒng)就是指各種各樣的傳感器，包括攝像頭、天線(xiàn)、姿態(tài)傳感器等，對(duì)應(yīng)于昆蟲(chóng)的單眼［50］、觸須［51］、平衡棒等。這些感覺(jué)器官幫助昆蟲(chóng)感知姿態(tài)偏差，并通過(guò)控制機(jī)制來(lái)產(chǎn)生補(bǔ)償控制力，否則昆蟲(chóng)就無(wú)法飛行［49］。但是目前的仿蝴蝶撲翼飛行器，雖然在其控制機(jī)制中融合了諸如MPU6050 這樣的姿態(tài)感知元件，但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，對(duì)于姿態(tài)感知以及主動(dòng)反饋系統(tǒng)的研究還很缺乏，故而目前基本所有的仿生蝴蝶飛行器都是在室內(nèi)或者微風(fēng)的理想室外環(huán)境進(jìn)行飛行測(cè)試。對(duì)于在其他復(fù)雜環(huán)境下如何保持飛行器的控制魯棒性這一問(wèn)題，還缺少研究。

最后是撲翼動(dòng)作逼真性問(wèn)題。相比目前仿蝴蝶撲翼飛行器舵機(jī)直驅(qū)或是電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)驅(qū)轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)方式，自然界的蝴蝶在實(shí)際撲翼過(guò)程中的動(dòng)作要更加靈活精細(xì)。雖然之前的研究也有將昆蟲(chóng)“8字形”撲翼方式應(yīng)用于仿生蝴蝶的嘗試，但針對(duì)蝴蝶其他復(fù)雜撲翼機(jī)制的仿生工作還十分欠缺。相比之下，對(duì)于其它仿昆蟲(chóng)的撲翼飛行機(jī)器人，諸如四連桿［52-53］、曲柄滑塊［54-55］、曲柄軸［56-57］、曲柄搖桿［52，58］和一些基于弦的機(jī)構(gòu)［27，59］，都被應(yīng)用于模擬昆蟲(chóng)的拍打運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中。因此，針對(duì)仿蝴蝶撲翼飛行器，完全用舵機(jī)直驅(qū)的方式來(lái)模擬蝴蝶的撲翼動(dòng)作，從仿生學(xué)上來(lái)講是很粗糙的。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，仿蝴蝶撲翼飛行器的研究仍將是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的課題，未來(lái)的發(fā)展方向主要有：

（1）進(jìn)一步縮小現(xiàn)有仿生蝴蝶的尺寸，使之更接近真實(shí)的蝴蝶。通過(guò)之前的分析，要達(dá)成這一目標(biāo)，必須去尋求體型更輕巧、能量密度更高的驅(qū)動(dòng)器，才能使整體仿生蝴蝶的尺度降低。一方面可以專(zhuān)門(mén)針對(duì)蝴蝶驅(qū)動(dòng)特性去研制更個(gè)性化的電機(jī)或微型舵機(jī)，另一方面尋求壓電驅(qū)動(dòng)、聚合物復(fù)合人工肌肉等其他驅(qū)動(dòng)方式的解決方案，來(lái)滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)器重量輕、能量密度高的要求。

（2）努力提高仿生蝴蝶飛行器的飛行穩(wěn)定性進(jìn)而提升其靈活性。一方面可以針對(duì)蝴蝶撲翼特點(diǎn)，設(shè)計(jì)更合適的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行更精細(xì)化的控制；另一方面不斷優(yōu)化仿蝴蝶撲翼飛行器的自身主動(dòng)反饋系統(tǒng)，進(jìn)一步應(yīng)用傳感器技術(shù)，同時(shí)將之前理論研究部分關(guān)于蝴蝶腹部抖動(dòng)控制姿態(tài)穩(wěn)定的類(lèi)似原理，實(shí)際應(yīng)用在撲翼機(jī)上。

（3）制造更為仿生的仿蝴蝶撲翼飛行器?，F(xiàn)有的仿生蝴蝶雖然從外形上看很接近真實(shí)蝴蝶，但從一些更為細(xì)致的角度去觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)仍存在許多的不足。比如蝴蝶的翅膀分布著極其復(fù)雜的翅脈，并且蝴蝶的翅膀從根部到邊緣，剛度也是越來(lái)越低，這一點(diǎn)也與翅脈的分布有很大關(guān)系；但是現(xiàn)有仿生蝴蝶都是采用均質(zhì)碳纖維棒，并進(jìn)行比較規(guī)律的排布。顯然，未來(lái)在模擬翅脈排布、制造更為仿生的蝴蝶翅膀方面，還有許多研究的空間。

（4）推進(jìn)仿蝴蝶撲翼飛行器的實(shí)際應(yīng)用。撲翼飛行器在研究之初，便是希望其可以在旋翼和固定翼飛行器難以勝任的場(chǎng)合承擔(dān)一些工作，比如軍用偵察、救災(zāi)勘探等。如何將仿生蝴蝶與這些應(yīng)用場(chǎng)景有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是未來(lái)研究的最終目標(biāo)。