飞行不难，仿生飞行不易

鹄鄉

自然界一直都是人类产生各种发明创造灵感的不竭源泉。我们都或多或少曾经幻想过自己能长出翅膀，像鸟儿一样飞翔。自古以来，人们为了飞上蓝天，留下了不少神话传说，进行了很多次飞行尝试，但由于早期的扑翼机都只是在外形上简单地模仿，结果当然都以失败告终。后来，伴随着内燃机的发明和空气动力学的完善，人类飞行的梦想由莱特兄弟发明的固定翼机实现，几年后，旋翼机被发明出来。

但是，为什么我们直到现在仍很少看到扑翼机的身影呢？最关键的原因就是关于力学的建模与控制问题尚未取得突破。扑翼机是典型的非定常空气动力学系统，与平时常见固定翼机不同，它的飞行是通过机翼的扑动与角度变换来获得不恒定的升力和向前的推动力，并不是简单地上下挥动翅膀就可以实现。

空中飞行大师——鸟类的飞行得益于它的翅膀中有大幅度活动关节的骨架、肌肉群，以及符合空气流动原理的羽毛和脊髓神经控制系统的帮助。这让鸟类可以灵活地根据气流和生命活动需求，调整飞行姿势。但科学界对于鸟类的空气动力学机制研究仍存在一定空白，难以构造精确的解析力学模型，这是我们要面对的挑战。

尽管如此，仍有航空人坚守着人类最初的飞行梦想。西北工业大学的仿生飞行器研究团队就一直在此领域深耕：去年3月，仿生扑翼机“小隼”一出现就惊艳了众人，它采用了全新的驱动结构，具有目前同类飞行器中最像鸟类的飞行动作，能在扑动翅膀的同时联动单侧翅膀收缩折叠，这让它拥有更强的隐蔽性能。

相较于固定翼机和旋翼机，扑翼机具有高气动效率、高机动性、低噪声等明显优势。消耗同样的能量，扑翼机可以飞行得更远，通过更复杂的地形，更悄无声息地完成地形探索、目标追踪、生态监测、军事侦察等，应用潜力巨大。

最精密的电脑比不过一只苍蝇的大脑，人类也从未停止从大自然中模仿创新。当前，扑翼机采用的机翼设计主要有单翼、弧面翼、复杂翼等，相关的飞行性能、操控性和电池续航力也各不相同。今年7月，北京科技大学研究团队也取得重要成果，成功设计了一款翼展为27厘米、重量仅为18克的微型仿生扑翼机，能够实现在室内自由可控飞行，并具备稳定悬停能力。

虽然距离实现规模应用还有一段路要走，但随着更轻便、耐损耗的材料出现与飞行理论的不断完善，扑翼机终将在祖国的大地上展翅高飞，在环保、航空、国防等领域中发挥重要作用。


来源：科普时报
作者：张欣雅

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仿生机器对研究自然和“环境”有相当大的帮助