人造昆虫——微型飞行器

沈海军 王旭

从飞机诞生至今的百余年航空发展历史中，飞机的尺寸不断刷新记录，分别向着更大或更小两个方向发展。目前，人类设计并成功飞行的飞机中，个头最大的当属苏联的“安225”。“安225”翼展约88米，机长84米，是名副其实的空中“巨无霸”，它不仅是体积最大的飞机，而且也是载重量最大的飞机。至于说世界上个头最小的、可飞行的飞机，只有1枚硬币那么大，如美国哈佛大学的扑翼微型飞行器——“机器蜂”、我国同济大学的昆虫动力飞机，其重量均仅为数百微克。

“带着刺的飞虫”

若要追溯微型飞行器的由来，时间应回到1992年。那一年，美国刚刚漂亮地取得了第一次海湾战争的胜利。美国国防部随即召开了题为“未来科技驱动的军事变革”的研讨会。该研讨会旨在总结海湾战争中高新技术所起的关键作用，并为美军提供一些未来作战的新型技术构想。其中的两种新技术即是微型飞行器的原始构想，这两种飞行器分别被命名为“墙上的飞虫”及“带着刺的飞虫”。前者指携带多种传感器并能实现特殊环境侦查的类飞虫机器人，后者则指具备瘫痪敌方系统能力的类飞虫机器人。1997年，美国国防部制订了一个为期4年、耗资3500万美元的微小型飞行器研究与验证计划，即“国防先进研究项目”（英文缩写为DARPA）。DARPA的研究范围涉及飞行器及其主要子系统，如推进系统、飞行控制/引导系统、传感器等相关技术。

起初，美国科学家们设想，随着技术的不断发展，可能将这些飞行机器做到1厘米大小并有约1克的有效载荷；然而，经可行性分析后，科学家们认为，15厘米最大尺寸、小于90克总重、最大有效载荷18克的飞行器比较适合目前的科技水平。于是，15厘米成为判别微型飞行器的一把标尺，“尺寸为15 厘米大小并能靠其自身能力飞行和完成各种探测任务的飞行器”随之成为业内普遍接受的微型飞行器的定义。

与常规无人飞行器相比，微型飞行器具有体积小、重量轻、成本低的优势，它们操纵方便、机动灵活、噪音小、隐蔽性好，具有很高的军事和民用应用价值。因此，微型飞行器得到了不少国家的极大关注，很快成为国际上新的研究热点。

固定翼 扑翼 旋翼

当鸟儿从空中飞过，稍加留意的话，你会发现它们有两种基本的飞行方式：拍打着翅膀飞或者滑翔，也就是所谓的扑翼飞行模式和固定翼飞行模式。在110年的航空历史长河中，人们对扑翼飞行器和固定翼飞机均进行了大量的尝试和研发实践工作。然而，沿着固定翼飞机这条发展道路，似乎走得更为顺利，取得的成果也更为辉煌。

鉴于固定翼在常规飞机上的良好表现，早期的几款微型飞行器均采用固定翼模式。其中最高水平的代表是美国的“黑寡妇”和“微星”。“黑寡妇”是美国于1998年研制的一种固定翼微型飞行器。该飞行器外型类似于盘状飞碟。最大直径15厘米， 由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力，采用锂电池提供能源，微型飞控系统由计算机、无线接收器和3个微型舵机组成。该飞机经试飞，其留空时间为16分钟，最大飞行速度70千米/小时。“微星”几乎和“黑寡妇”同时研发成功，该固定翼微型飞行器来自于美国洛克希德·马丁公司，设计总重仅为85 克，留空时间20分钟，未来将具备GPS 导航定位系统和摄像功能，设计者希望将其打造为战场上前所未有的高效侦察工具。

近年来，在DARPA的资助下，微型扑翼飞行器的研究也取得了一定成果。较典型的微型扑翼飞行器是美国加州技术学院研制的“微型蝙蝠”和斯坦福研究中心研制的“领路人”。“微型蝙蝠”是最早的微型电动扑翼飞行器之一。其机翼采用微型机电系统技术加工制作而成。通过重量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。该飞行器现在已经发展了4种不同的原理样机。目前飞行性能最好的是第四代样机。该机以锂离子电池为动力，重11.5克，最大尺寸20.3厘米，飞行方式为无线电遥控飞行，最大续航时间为6分17秒。“领路人”微型扑翼飞行器重50克，有4片机翼，以电致伸缩聚合体人造肌肉为动力。

除了固定翼和扑翼模式外，旋翼也是微型飞行器的重要发展方向之一。微型旋翼飞行器与微型固定翼飞行器相比，其最大优点是：能够垂直起降和悬停，适宜在比较狭小的空间或复杂的地形环境中使用。微型旋翼飞行器的典型代表是洛克尼克公司研制的“科里布里”（Kolibri）和斯坦福大学研制的“麦斯考普特”（Mesicopter）。“科里布里”微型旋翼飞行器的基本尺寸为10厘米，重316克，采用重37克的微型柴油发动机为动力，燃油重132克。这种飞行器上部装旋翼，下部装照相机，采用GPS自动驾驶，可以垂直起降和旋停，留空时间至少30分钟，可携带大约100克的设备。“麦斯考普特”微型旋翼飞行器是一个厘米级大小的飞行器，其机身为16×16平方厘米的方形框架，有4个螺旋桨，螺旋桨直径为15毫米，厚度仅为0.08毫米，每个螺旋桨由直径为3毫米、重325毫克的微型电机驱动。

三大瓶颈

从微型飞行器的研究现状来看，尽管已经取得了相当不错的技术成果，积累了一定的经验，但是，微型飞行器仍处于试验阶段，离实用化还有相当大的差距，许多技术难题成为阻碍其发展的瓶颈。

首先是所谓的低雷诺数问题。雷诺数是一个用来描述流体中物体惯性力与黏性力之间比值的参量。一般来说，雷诺数越小，表明物体的相对黏性阻力越大。常规飞行器的雷诺数大致为100万到数百万，空气的黏性效应可以忽略。微型飞行器的雷诺数约为几千，空气黏性阻力相对较大。目前，微型飞行器在低雷诺数下的空气动力学问题还处在试验阶段，没有具体的理论和经验公式可遵循。常规飞行器设计中所采用的许多成熟技术，如气动计算方法软件系统、风洞实验技术并不适合微型飞行器，必须发展新的理论和实验技术。

第二是微型动力系统。锂电池电动机、微型涡轮发动机以及太阳能等，是微型飞行器可选用的几种重要动力源。锂电池是目前微型飞行器中使用最为普遍的能源。最近的报道显示，利用特殊的技术工艺，最小锂电池的尺寸已经逼近黄豆大小。美国麻省理工学院正在研制一种纽扣大小的微型涡轮发动机。该发动机采用微机电系统技术加工制作，工作原理与常规涡轮发动机相似，使用氢为燃料，直径1毫米，厚度3毫米，转速每分钟可达240万转，重量仅1克，推力为0.05～0.1牛顿，输出功率将达到10～30瓦。此外，往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力和热电动力太阳能等新技术，目前也在研究中。

最后是飞行控制。在常规的飞行器中，依靠副翼、升降舵和方向舵来控制飞机滚转、俯仰和偏航的三轴飞控系统已趋于完善。而对于微型飞行器而言，小尺寸、低雷诺效应使得飞机的控制面效率变得极为低下，常规的飞行控制方式遇到困难。一个解决途径是发展基于微机电系统的新型控制方式。目前比较有前途的是在微型飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机构，通过微流动控制实现对微型飞行器的飞行控制。

模仿与控制

昆虫飞行时，更多的时间是拍打着翅膀。微型飞行器要做得很小，譬如像小飞虫大小，人类就必须要向它们“取经”，学习它们的本领。人们发现，昆虫通过连续扑打其膜翅，能够让自身灵活高效飞行，不仅如此，昆虫还能在空中悬停甚至穿梭。这些都是自然界长期进化后选择的最佳飞行方式。这种飞行方式兼具固定翼飞行及旋翼飞行的优点，把低雷诺数下的空气动力学原理利用得淋漓尽致。科学家们由此逐渐发现了扑翼式微型飞行器的前景，于是大量专家纷纷投入到这一研究领域。近来，由荷兰代尔夫特大学研制的、由电机驱动的扑翼微型飞行器“代尔夫飞虫”（Delfly Micro）据称是目前携带了传感器和摄像头的最小扑翼机，它的最大展长只有10厘米，质量仅为3.07克。

要将飞行器做成昆虫般大小，另一个棘手的问题就是动力源要极小且极轻，现有技术很难将动力源做到更小而仍能提供足够的动力。针对微型扑翼飞行器上下扑打机翼的特点，一些科学家专门设计了一种叫“往复化学肌肉”的能量源，其通过对化学能的控制，可以模拟肌肉的伸缩运动，从而带动机翼上下往复运动，这种先进的动力源不需要额外的电能及氧气。美国乔治亚理工学院的科学家运用这种动力源研制了一款叫作“昆虫机”（Entomopter）的微型飞行器，它具有15～18厘米的展长，可携带10克左右的有效载荷。得益于其无需电能及氧气的动力源，美国宇航局的科学家正准备利用“昆虫机”这一平台研发可在火星飞行的微型飞行器。

最近，由哈佛大学的科研人员历时12年研制成功了世界上最小、最轻且可按预设路径飞行的微型扑翼飞行器“机器蜂”。这是一架将尺寸做到了极致的微型扑翼飞行器，只有指甲盖大小，重仅0.1克。它融入了当今的诸多先进成果。然而从客观上讲，它还远没达到完成不同侦测任务的能力。虽然如此，这已经是人类在模仿大自然道路上的巨大跨越了。

正当人们千方百计模仿大自然的奇妙创造时，另一些人正忙着做一些更加难以置信的事情——控制昆虫。道理很简单，既然人类兴师动众地模仿大自然，还不如直接利用已经由大自然“雕琢”了数亿年之久的“成品”昆虫。这一设想正在被一些科学家付诸实践。

昆虫虽小，但它们为适应生存环境已经进化出了一套精密而复杂的生命系统。人们设想，可以在它们的触角附近安装微型刺激装置，在它们的中枢神经系统内部或神经肌肉连接处植入电极，从而控制昆虫的行动方向。最近，同济大学的研究人员将小型电极插入蝉的足肌肉，并利用小型红外接收机控制这些电极，从而实现了对蝉行动方向的远程控制。美国密歇根大学的科学家更是提出，利用压电材料来收集由于昆虫上下扑动翅膀而产生的能量，并用这些能量为植入昆虫的微型控制系统及通讯装置提供能源。

为了实现对昆虫真正意义上的控制，科学家要做的是将控制、通讯及供电装置缩小到足以植入昆虫体内而不引起昆虫的反感。而这些需要解决的问题似乎又回到了微型飞行器发展所面临的挑战的原点，即微型化。这给人们一个重要的启示，也就是，无论微型飞行器的发展方向是人造昆虫，还是真正的昆虫，都必须首先将那些人造部件缩小到极致。