先進(jìn)制造技術(shù)之仿生技術(shù)

1、一、仿生撲翼飛行器的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)1.引言自古以來(lái)，人們就夢(mèng)想著在天空自由翱翔，對(duì)鳥(niǎo)在滑翔狀態(tài)下的研究使人類(lèi)乘著飛機(jī)上了天。但在一般情況下，昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)翅膀具有很大的機(jī)動(dòng)靈活性，生物超強(qiáng)的飛行能力也引起了人們的極大興趣，如昆蟲(chóng)利用其薄如蟬翼的翅膀高頻振動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)前飛、倒飛、側(cè)飛及倒著降落等特技飛行。對(duì)生物生理結(jié)構(gòu)和飛行機(jī)理的研究為仿制出具有更大飛行靈活性的新型撲翼飛行器打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著對(duì)生物飛行機(jī)理的認(rèn)識(shí)和微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS)、空氣動(dòng)力學(xué)和新型材料等的快速發(fā)展，仿生撲翼飛行器在目前已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。由于其在軍事和民用上均具有廣泛的應(yīng)用前景，許多國(guó)家都已在這方面進(jìn)行了研究，如美

2、國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、日本東京大學(xué)等都已經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究探索工作，國(guó)內(nèi)的科學(xué)家們也開(kāi)始了這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作。本文主要介紹了仿生撲翼飛行器的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，以及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行了對(duì)比分析思考，提出了相應(yīng)的見(jiàn)解。1.仿生撲翼飛行器的特點(diǎn)仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)制造的新型飛行機(jī)器。該類(lèi)飛行器若研制成功，那么與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：如原地或小場(chǎng)地起飛，極好的飛行機(jī)動(dòng)性和空中懸停性能以及飛行費(fèi)用低廉，它將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進(jìn)行長(zhǎng)距離飛行，因此更適合在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)能源補(bǔ)充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任

3、務(wù)。自然界的飛行生物無(wú)一例外地采用撲翼飛行方式，這也給了我們一個(gè)啟迪，同時(shí)根據(jù)仿生學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果可以預(yù)見(jiàn)，在翼展小于15cm時(shí)，撲翼飛行比固定翼和旋翼飛行更具有優(yōu)勢(shì)，微型仿生撲翼飛行器也必將在該研究領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。生物飛行能力和技巧的多樣性多半來(lái)源于他們翅膀的多樣性和微妙復(fù)雜的翅膀運(yùn)動(dòng)模式。鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)的飛行表明，仿生撲翼飛行器在低速飛行時(shí)所需的功率要比普通飛機(jī)小的多，并且具有優(yōu)異的垂直起落能力，但要真正實(shí)現(xiàn)像鳥(niǎo)類(lèi)翅膀那樣的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)模式，或是像蜻蜓等昆蟲(chóng)那樣高頻撲翅運(yùn)動(dòng)非常困難，設(shè)計(jì)仿生撲翼飛行器所遇到的控制技術(shù)、材料和結(jié)構(gòu)方面等問(wèn)題仍是一難題，但將這種概念用機(jī)械裝置去實(shí)現(xiàn)，本身并不是

4、決定性的，關(guān)鍵是在于人類(lèi)要去不斷的嘗試。仿生撲翼飛行器通常具有尺寸適中、便于攜帶、飛行靈活、隱蔽性好等特點(diǎn)，因此在民用和國(guó)防領(lǐng)域有十分重要而廣泛的應(yīng)用，并能完成許多其他飛行器所無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。它可以進(jìn)行生化探測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)，進(jìn)入生化禁區(qū)執(zhí)行任務(wù)；可以對(duì)森林、草原和農(nóng)田上的火災(zāi)、蟲(chóng)災(zāi)及空氣污染等生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；可以進(jìn)入人員不易進(jìn)入地區(qū)，如地勢(shì)險(xiǎn)要戰(zhàn)地，失火或出事故建筑物中等；特別在軍事上，仿生撲翼飛行器可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、巡邏、突襲、信號(hào)干擾及進(jìn)行城市作戰(zhàn)等。2國(guó)內(nèi)外研究情況2.1早期研究情況眾所周知，早在中國(guó)西漢時(shí)代就曾有人來(lái)模仿鳥(niǎo)的飛行，世界上第一架按技術(shù)規(guī)程設(shè)計(jì)的撲翼機(jī)圖紙出自著名畫(huà)家達(dá).

5、芬奇之手，它是根據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，至今仍完好地保存在博物館內(nèi)。但過(guò)了300多年后，科學(xué)家們才重新開(kāi)始考慮撲翼機(jī)，并把它作為一種飛行器來(lái)研究。在19世紀(jì)中期，由考夫曼、英國(guó)人哈爾格萊夫和德國(guó)人李林塔爾對(duì)撲翼機(jī)理論所作的研究及實(shí)踐成為撲翼飛行器發(fā)展史上重要的里程碑。20世紀(jì)初，俄羅斯科學(xué)家和設(shè)計(jì)師們?cè)谶@一領(lǐng)域內(nèi)取得了重大突破，但鑒于知識(shí)背景，當(dāng)時(shí)的撲翼飛行器也不能算理想的飛行器。一系列的失敗迫使科學(xué)家們重新進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，通過(guò)試飛實(shí)踐和所積累的理論資料，科學(xué)家們看到了許多問(wèn)題，如：機(jī)翼煽動(dòng)時(shí)效果不明顯，并未產(chǎn)生理想的升力和推力。另外，關(guān)鍵一點(diǎn)是科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到之前那些僅靠人體自身肌肉的力量來(lái)驅(qū)

6、動(dòng)的撲翼飛行器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的。由此至20世紀(jì)中后期，人類(lèi)歷經(jīng)艱辛才發(fā)明了撲翼滑翔飛行器和動(dòng)力撲翼飛行器。前者仍由人發(fā)出功率，故不能獨(dú)立起飛，只有獲得必要的高度才能滑翔飛行，在無(wú)上升氣流情況下，要靠駕駛員人力煽動(dòng)機(jī)翼，以減緩某一時(shí)刻的下降速度；后者當(dāng)時(shí)則利用了發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)完全或部分取代人力。在1986年，美國(guó)人波拉麥克里迪在動(dòng)力撲翼飛行器上取得過(guò)一定成績(jī)，但須要加裝大傳動(dòng)比的減速器才能使發(fā)動(dòng)機(jī)滿足撲翼工作要求,相比之下,蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等更適合撲翼飛行器使用。2.2國(guó)外的研究進(jìn)展初期的撲翼飛行器發(fā)展融入了許多科學(xué)家的艱苦努力，但整體上都顯得較為龐大且也相當(dāng)笨重，離實(shí)用還相距甚遠(yuǎn)，和目前發(fā)展的

7、撲翼飛行器相比，也顯得很笨拙，但是卻為后期的研究工作提供了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著MEMS技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)和新型材料等的發(fā)展，如今的撲翼飛行器也越來(lái)越靈巧且逐漸小型化，離實(shí)用也越來(lái)越近，它的發(fā)展也成為飛行器研究領(lǐng)域最為熱門(mén)的前沿學(xué)科。其主要的進(jìn)展有以下幾方面：2.2.1“大撲翼”20世紀(jì)末，撲翼飛行器的發(fā)展也取得了可喜的成功.在1996年，加拿大人詹姆斯.德拉瑞爾研制了“大撲翼”，由24馬力的兩沖程超輕型發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置直接與機(jī)翼相連，一個(gè)鏈齒條裝置驅(qū)動(dòng)位于飛行員身后的兩個(gè)構(gòu)架上下運(yùn)動(dòng)，使機(jī)翼中段被反復(fù)抬出。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到3800轉(zhuǎn)/分的最大速度時(shí)，機(jī)翼能撲動(dòng)1.3次每秒。德拉瑞

8、爾也認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)上最大的挑戰(zhàn)是機(jī)翼，必須承認(rèn)這是歷史上技術(shù)最復(fù)雜的機(jī)翼。通過(guò)研究鳥(niǎo)類(lèi)飛行的慢動(dòng)作照片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在這一瞬間發(fā)生了太多不同的運(yùn)動(dòng)，要模仿這些運(yùn)動(dòng)實(shí)在不易。在設(shè)計(jì)時(shí)，德拉瑞爾提出，只要能產(chǎn)生撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)巧妙結(jié)合的效果就足夠了，經(jīng)過(guò)多年研究，他們驗(yàn)證了一種剪切彎曲設(shè)計(jì)和三軸控制方法原理的可行性，在“大撲翼”上，飛行員通過(guò)操縱水平安定面來(lái)控制俯仰，側(cè)向控制應(yīng)該是撲翼的第三個(gè)功能，“大撲翼”的機(jī)翼還不行，它的機(jī)翼設(shè)計(jì)排除了使用常規(guī)的副翼進(jìn)行直接滾轉(zhuǎn)控制的可能，因此還得依靠方向舵。至于滾轉(zhuǎn)控制則靠的是一種偏航滾轉(zhuǎn)耦合的方法。然而理論研究和模型試驗(yàn)不能證明一切，所有設(shè)計(jì)都還需在試飛中檢驗(yàn)。今天

9、的撲翼飛行器就像上個(gè)世紀(jì)40年代的超音速飛機(jī)一樣，未知領(lǐng)域還非常多，特別是穩(wěn)定性和控制問(wèn)題在設(shè)計(jì)過(guò)程中是非常重要的難題。遺憾的是“大撲翼”的首次試飛以及改進(jìn)后的試飛均未達(dá)到要求，但它卻為隨后的深入研究提供了很好的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。2.2.2“夜鷹”在“大撲翼”的研究期間，加拿大人杰姆泰斯和賽德也正在嘗試研制撲翼機(jī)一“夜鷹”，他們的設(shè)計(jì)原理與德拉瑞爾的完全不同，而是更想接近鳥(niǎo)類(lèi)的飛行方式，因而飛行器沒(méi)有垂尾和方向舵，而是靠控制撲翼角度和頻率來(lái)操縱，加上一個(gè)獨(dú)立控制的鴿子似的尾部上下、左右地運(yùn)動(dòng)或扭轉(zhuǎn)著，同時(shí)在氣流合適時(shí)保持滑翔，轉(zhuǎn)向則是靠獨(dú)立反向機(jī)翼彎曲。他們利用液壓作動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，能對(duì)撲翼角度和頻率施加直

10、接控制，當(dāng)然控制的量還得由計(jì)算機(jī)精確掌握，同時(shí)液壓部件也要有很高的重復(fù)頻率和疲勞耐受力。雖然“夜鷹”在理論研究研究上漸趨成熟，但試飛結(jié)果同“大撲翼”一樣，也未達(dá)到既定要求，故還需不斷改進(jìn)。2.2.3微型撲翼飛行器自20世紀(jì)中后期以來(lái)，鑒于仿生撲翼飛行器潛在的更具吸引力的應(yīng)用前景，其在短時(shí)間內(nèi)就吸引了許多研究者的關(guān)注，關(guān)于較大尺寸及微型撲翼的空氣動(dòng)力學(xué)研究也逐漸成為熱點(diǎn)。1973年Weis-Fogh在對(duì)黃蜂的飛翔運(yùn)動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種產(chǎn)生升力的“振翅拍擊和揮擺急動(dòng)(ClapandFling)”機(jī)構(gòu)，并論述了這種機(jī)構(gòu)產(chǎn)生瞬時(shí)升力的機(jī)理。1991年Delaurier等人成功試飛了無(wú)線電遙控的由

11、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的撲翼機(jī)，并給出了其飛行動(dòng)力學(xué)模型。1994年Smith用有限元法和氣動(dòng)翼段法建立了飛蛾翅膀的彈性動(dòng)力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)耦合模型，研究了在氣動(dòng)力和慣性力作用下翼的各階彎曲和扭轉(zhuǎn)振型，并與剛性翼模型進(jìn)行了對(duì)比。1996年英國(guó)劍橋大學(xué)的Ellington等人為研究扇翅周?chē)男郎u，研制了雷諾數(shù)與天蛾相同的扇翅模型-扇板。此扇板在下扇時(shí)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的前緣旋渦，力量很大，是對(duì)升力的一種解釋。1997年Hall等人提出一種使撲翼大幅值拍打產(chǎn)生升力和推力的最小環(huán)流分布的計(jì)算方法；Jones等人系統(tǒng)地分析計(jì)算了單撲翼和前后組合撲翼的非定常流場(chǎng)、推力和功率。1999年美國(guó)加州大學(xué)的MichaelDicki

12、nson等人對(duì)機(jī)械翅在一個(gè)裝滿礦物油的油罐中進(jìn)行試驗(yàn)，模擬昆蟲(chóng)在低雷諾數(shù)下的飛行情況，得出了昆蟲(chóng)依靠延后失速、旋轉(zhuǎn)循環(huán)與尾流捕獲的共同作用來(lái)產(chǎn)生高升力的結(jié)論。WeiShyy等人從生物學(xué)角度出發(fā)，主要研究了低雷諾數(shù)下的撲翼運(yùn)動(dòng)和柔性翼型對(duì)飛行的影響，進(jìn)而研究了微撲翼飛行器設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。Jones研制出一個(gè)具有上下兩對(duì)均可產(chǎn)生拍打和俯仰運(yùn)動(dòng)的翼展為1270mm的撲翼機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。由此可以看出,國(guó)際上關(guān)于大尺寸撲翼的研究已經(jīng)從單純理論分析計(jì)算開(kāi)始轉(zhuǎn)向研制實(shí)際撲翼機(jī)構(gòu)。微型撲翼飛行器的興起與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的重視是分不開(kāi)的。早在1982年，美國(guó)加洲大學(xué)伯克利分校就

13、開(kāi)始進(jìn)行微型撲翼飛行的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究，并在十幾年研究的基礎(chǔ)上于1998年開(kāi)始實(shí)行微型撲翼飛行昆蟲(chóng)（MFI）的研究計(jì)劃，目的是模擬蒼蠅的獨(dú)特飛行性能，設(shè)計(jì)出一種能夠獨(dú)立自主操縱的微飛行機(jī)器。除此之外，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院（GTRI）的“Entomopters”是工程師Michelson和他的助手研制的“仿昆蟲(chóng)微型撲翼飛行器”，這種微型飛行器有著與蝴蝶翅膀相似的機(jī)翼，機(jī)翼采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成，可在一種往復(fù)式化學(xué)肌肉驅(qū)動(dòng)（RCM）下上下煽動(dòng)，機(jī)翼上下煽動(dòng)能根據(jù)昆蟲(chóng)飛行原理提供升力，并使飛行器具有盤(pán)旋能力，尾部的天線能夠增加平衡作用。與此同時(shí)，日本東京大學(xué)也開(kāi)始著手基于MEMS技術(shù)和昆

14、蟲(chóng)飛行原理研究幾個(gè)毫米大小的微飛行機(jī)器人，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可在交變磁場(chǎng)中煽動(dòng)翅膀的飛行機(jī)器人，翅膀的材料為聚酰亞胺和鎳，當(dāng)把此微型飛行機(jī)器人放入交變磁場(chǎng)中后，翅膀上的鎳薄將帶動(dòng)翅膀上下煽動(dòng)。另外，由加州大學(xué)和Aerovironment公司及加州洛杉磯大學(xué)共同研制了撲翼型MAV，名為“Microbat”。該微型飛行器的研究人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究了撲翼飛行方式的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性，并制作了一種輕型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)翼的煽動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，該飛行器的機(jī)翼能以20Hz的頻率煽動(dòng)，采用Nicad電池作為動(dòng)力源,并在非控制條件下進(jìn)行了18秒、46米遠(yuǎn)的飛行實(shí)驗(yàn)。這也是迄今為止文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)道的、有技術(shù)細(xì)節(jié)

15、的、可以持續(xù)飛行的撲翼MAV。美國(guó)加洲大學(xué)還計(jì)劃在2004年研制出翼展510mm，重46mg,180Hz壓電石英驅(qū)動(dòng)的四翼“機(jī)器蒼蠅”，又稱(chēng)“黑寡婦”（BlackWidow）。美國(guó)斯坦福研究中心（SRI）和多倫多大學(xué)在DARPA的資助下，也在共同研究一種撲翼微型飛行器“Mentor”，它有4片由“人工肌肉”驅(qū)動(dòng)的撲動(dòng)機(jī)翼和用來(lái)保持穩(wěn)定的尾翼，整個(gè)飛行器約30厘米，重不到0.5千克，并在2002年2月成為世界上第一架成功懸浮空中的微型撲翼飛行器。研制人員希望能夠把它縮小至蜂鳥(niǎo)大小，這樣它就可以被用于監(jiān)視工作了。此外，DARPA也資助了基于彈性動(dòng)力的和基于熱動(dòng)力的撲翼飛行器研究工作，另外幾種類(lèi)型的

16、微撲翼飛行機(jī)構(gòu)也正在研制并取得了一定的成功。3關(guān)鍵技術(shù)的思考雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)撲翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)及其實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的研究已取得了初步的理論和試驗(yàn)成果，但是這些研究距離實(shí)際能夠飛行的撲翼飛行器尚有一定差距。為了實(shí)現(xiàn)撲翼飛行，除了應(yīng)繼續(xù)從理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步深入地研究撲翼飛行機(jī)理之外，非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)的研究、高性能的動(dòng)力系統(tǒng)和能源問(wèn)題、高效撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造以及以后的通信與控制系統(tǒng)等應(yīng)成為撲翼飛行器研制的關(guān)鍵。特別是翼展為150mm以下的撲翼飛行器具有很大的實(shí)用價(jià)值，與之相關(guān)的研究應(yīng)成為我國(guó)的研究重點(diǎn)。3.1空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)仿生撲翼飛行研究以模仿鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)類(lèi)撲翅運(yùn)動(dòng)為主，但昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀不像飛機(jī)

17、翼那樣具有標(biāo)準(zhǔn)的流線型，而是類(lèi)似的平面薄體結(jié)構(gòu)。按照傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論，它們無(wú)法有效地利用空氣的升力和阻力，因而就很難起飛。但是它們翅膀在拍動(dòng)過(guò)程中伴隨著快速且多樣性的運(yùn)動(dòng)，這會(huì)產(chǎn)生不同于周?chē)髿獾木植坎环€(wěn)定氣流，這種非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng)是研究和理解昆蟲(chóng)、鳥(niǎo)類(lèi)飛行的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿生飛行的重要基礎(chǔ)。因此我們應(yīng)在充分認(rèn)識(shí)生物飛行非定常空氣動(dòng)力學(xué)及翅膀運(yùn)動(dòng)模式的基礎(chǔ)上，提取精華并簡(jiǎn)化運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)能有效地產(chǎn)生升力和推進(jìn)力的仿生機(jī)構(gòu)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)仿生撲翼飛行的目的。3.2飛行動(dòng)力和能源問(wèn)題早期仿生撲翼飛行器的研究經(jīng)驗(yàn)告訴我們，僅靠人體肌肉的力量來(lái)驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行器是無(wú)法實(shí)現(xiàn)持續(xù)飛行的。由

18、于微型撲翼飛行器要求外形較小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)元件效率高、能耗少，這就要求我們?cè)趯?duì)仿生撲翼飛行內(nèi)在關(guān)系的分析了解基礎(chǔ)上，對(duì)其能源動(dòng)力系統(tǒng)的質(zhì)量、大小以及功率等方面的因素對(duì)撲翼飛行驅(qū)動(dòng)的作用進(jìn)行深入細(xì)致的探討。考慮到撲翼飛行對(duì)質(zhì)量和大小的要求，并從研究的角度及目前的動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在今后的研制過(guò)程中，電池和微小型電機(jī)應(yīng)是相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的首選對(duì)象。3.3翼形和材料設(shè)計(jì)和制造具有非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)特性的高效仿生翼，是仿生撲翼飛行研究中急待解決的問(wèn)題。仿生翼必須輕而堅(jiān)固，能夠在高頻振動(dòng)下不會(huì)斷裂，且要能夠提供足夠的升力和推進(jìn)力等。仿生翼的研究包括翼的結(jié)構(gòu)和形狀設(shè)計(jì)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料的選擇以及與制造

19、有關(guān)的工藝問(wèn)題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，翼形主要還是仿造生物翼形狀，翼的重量要輕，在撲動(dòng)過(guò)程中還要有靈敏的柔性，當(dāng)然還要通過(guò)多種翼形比較，選擇最有效的形狀。進(jìn)行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀來(lái)實(shí)現(xiàn)靈巧的運(yùn)動(dòng)模式，而是在進(jìn)一步研究鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)翅膀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，提取其精髓并進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而研制出更具靈活性和運(yùn)動(dòng)性能的翼形。此外，材料的選擇涉及仿生撲翼飛行的整個(gè)過(guò)程，設(shè)計(jì)中的重量輕、柔性以及微型化等要求都與材料有關(guān)。如在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，壓電陶瓷和化學(xué)肌肉等智能材料都被采用。另外，為保證整體重量輕，翼有一定強(qiáng)度且能靈活變形，聚脂化合物及碳纖維等也被廣泛采用。在我們的研制過(guò)程中，必須綜合考慮撲翼

20、飛行的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性及機(jī)構(gòu)制作的工藝特性要求來(lái)選擇合適性能的材料。3.4通信和控制系統(tǒng)在仿生飛行器的發(fā)展過(guò)程以及未來(lái)的應(yīng)用過(guò)程中，通信和控制系統(tǒng)是必不可少的重要裝備。在仿生飛行器運(yùn)用飛行中，要實(shí)現(xiàn)飛行的控制與決策，這需要進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、路徑規(guī)劃、飛行模式規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)控制，這其中的翼變化控制和穩(wěn)定性控制是控制系統(tǒng)研究的關(guān)鍵。像鳥(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)一樣實(shí)現(xiàn)對(duì)仿生撲翼飛行的控制是不現(xiàn)實(shí)的，控制系統(tǒng)須根據(jù)實(shí)際使用要求進(jìn)行很大的簡(jiǎn)化。首先，將外部條件簡(jiǎn)化，即考慮飛行環(huán)境是理想的；其次，可采用多級(jí)簡(jiǎn)單控制方法。另外，結(jié)合實(shí)際研制過(guò)程，遙控操作、電子調(diào)速及方向舵相結(jié)合的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)仍將是首選。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式控制系

21、統(tǒng)的發(fā)展為仿生撲翼飛行器的控制系統(tǒng)研究提供了很好的前景。此外，該類(lèi)飛行器在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中往往要飛離操縱者，這就意味著飛行器必須具備相對(duì)靈敏的通信系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的控制以及傳遞收集有價(jià)值信息等。研制適合的GPS接收機(jī)和地面匹配系統(tǒng)是較為前沿的通信方式，這對(duì)該類(lèi)飛行器的發(fā)展來(lái)說(shuō)也是非常必要的。目前適用于仿生飛行器的通信系統(tǒng)仍處于不斷發(fā)展的階段，但隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，更加先進(jìn)的通信技術(shù)肯定能夠得以實(shí)現(xiàn)。4.結(jié)束語(yǔ)目前國(guó)內(nèi)外研究的仿生撲翼飛行器仍處于實(shí)驗(yàn)研究和初步實(shí)踐階段，尚不能獨(dú)立飛行，更不可能完成復(fù)雜的動(dòng)作，離實(shí)用階段還有很大距離。考慮到其在軍事上的重要性和民用領(lǐng)域中日益廣泛的應(yīng)用，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都給予高度重視，因此而得到了快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)在這方面也做了大量的基礎(chǔ)研究工作。研制仿生撲翼飛行器不管是從其潛在的使用價(jià)值方面考慮，還是從推動(dòng)技術(shù)方面考慮，對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)都是勢(shì)在必行的研究工作。如果我們?cè)趯?duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究上獲得突破，那么具備實(shí)用化要求的