“人类每次正视自己的渺小，都是自身的一次巨大进步。”——弗兰克·赫伯特《沙丘》

  新版《沙丘》的上映引燃了科幻迷们对仿生扑翼飞行器的热议。《沙丘》设定在遥远的未来，天赋异禀的少年保罗·厄崔迪被命运指引，为了保卫自己的家族和人民，决心前往浩瀚宇宙间最危险的星球。片中最大的亮点应该是一种长得像蜻蜓的扑翼机，八片叶子张开又收缩的样子，完美贴合人类对于科幻的想象。电影中的这种蜻蜓式扑翼机，飞行时机翼展开后可像蜻蜓翅膀那样进行高频振动，以此产生动力，也可收起机翼做自由落体式俯冲，重新打开的瞬间又能获得动力。该设定让这种飞机拥有无与伦比的机动性。那么我们不禁想问，不久的将来，人类可以制造出这种仿生扑翼飞行器吗？要制造这类飞行器要解决哪些关键技术问题呢？仿生扑翼飞行器对于军民各领域的现实意义是什么？

  仿生扑翼飞行器是无人飞行器的一种，是通过模仿鸟类或者昆虫飞行的动作机理来进行姿态机动。其相比于旋翼、喷气类无人机，具有高载重比、强机动性、起落不受地形限制等优点；扑翼的飞行方式没有造成空气的剧烈震动及对空气的切割，因此在飞行时的噪音更小，配合仿生翅翼及降噪结构，几乎能实现静音飞行，可适用于更加特殊的应用场合。

  仿生扑翼飞行器的基本飞行动作包括手动抛飞、爬升、俯冲、平飞、转弯以及滑翔等。该类飞行器通过驱动机构带动机翼（或称翅膀）进行规律扑动，同时在一个扑动周期的不同阶段控制翅膀形状变化，以此来产生升力和推力；通过调整扑动频率，控制两侧翅膀进行不对称扑动或者借助尾部的作用来实现俯仰、偏航、滚转等大范围机动；在滑翔增程方面，则可通过调整翅膀的翼型或者翅膀的位置，主动适应气流，匹配最佳空气动力特性。实际上，仿生扑翼飞行器根据所模拟的生物种类不同而具有不同的外形结构、飞行机理、材料需求、驱动机构、信息感知、控制算法等等。例如，大型仿生扑翼飞行器均以鸟类为主要仿生对象。鸟类经过上亿年的进化，已形成了对环境极具适应性的飞行特性。鸟类翅膀的运动具有很多个自由度，而且翅膀上的羽毛在一个扑动周期内也会相应的打开或收紧以最大程度地产生升力和推力。仿鸟式扑翼飞行器若要想全部复现鸟类翅膀运动规律，会使得翅膀结构非常复杂，导致翅膀的转动惯量过大影响飞行时的稳定性，甚至由于机体重量过大完全无法飞行。因此，通常该类飞行器一般会通过限定自由度来简化翅膀的动作元素；另外，仿鸟式翅膀的动力传动机构传递运动和力的稳定性以及效率也是影响扑翼飞行机器飞行性能的关键。小型仿生扑翼飞行器则主要以昆虫为仿生对象，其中尤以模拟蜻蜓为主，这是因为蜻蜓在飞行方式和飞行能力方面具有显著的优点。蜻蜓在飞行时翅膀拍动次数最少，但飞行速度最快，稳定性最好。蜻蜓具有双对翅翼，最奇妙的是其每对翅翼可做的动作竟然可以不对称。其双对翅翼相对于蜻蜓本体，重量极轻，却可利用前后气动干涉产生很大的气动效率和很低的雷诺数。

  2018年，弗吉尼亚大学机械与航空航天工程学院的研究团队在《Science》上发表文章“flying in reverse kinematics and aerodynamics ofa dragonfly in backward free flight”（10.1098 / rsif. 2018. 0102）。该文章描述并总结了蜻蜓飞行过程中的气动特性。研究人员对40多只蜻蜓的翅膀上用点标记以便于跟踪，并利用摄像机记录了这些蜻蜓的飞行过程。通过数学建模及CFD仿真分析，得到如下结论：① 蜻蜓能够在空中倒飞、悬停、360°旋转；② 蜻蜓在向后飞行时，蜻蜓将身体向上倾斜，与地平线°角；③ 蜻蜓在大机动飞行时，不仅只改变翅膀的方向，主要是改变翅膀产生的力的方向；④ 当蜻蜓向后移动时，它们的翅膀能产生高达体重两到三倍的力。

  蜻蜒的飞行方式灵活，能轻松实现扑翼飞行器扑动模式的自由切换。所以，将蜻蜓的结构应用于仿生扑翼飞行器，能大大的提升气动效率，极大地减少能量消耗，同时具有较长的飞行续航能力。但也存在一些问题，例如，如果仿生扑翼飞行器轮廓外形采用蜻蜓外形进行设计，则机身的材料要具有刚度大、抗变形力强、密度轻等性能；另外，要设计一套飞行控制器能够实时获取飞行时的姿态、位置等参数信息，对比实时飞行任务后自主地做出相应的控制。

  仿生扑翼飞行器具有隐蔽性强、机动性能好、飞行效率高、载重比高以及易携带单兵可装备等优点。具备上述特点的扑翼飞行器在军用方面有很大的应用空间，例如：①利用其优越的隐蔽性，可进行侦察与反侦察。在战场上深入敌方内部进行侦查工作，同时能携带轻型武器进行攻击；②利用其对环境的强适应性，可用于灾害和事故等现场，完成环境探测、搜救和小规模物资输送等任务；③可实现长时间集群定点监测；可代替人类在高危环境作业，如高辐射的报废核电站、充满剧毒气体的高温火山口等。

  固定翼飞行器虽然满足了人类高空飞行的梦想，但是人类也始终没放弃对扑翼飞行器的设计与改进。我国古代风筝就包含着现代扑翼飞机的原理，500多年前的达·芬奇做了人力扑翼装置的设计，达·芬奇式扑翼飞行机器人图纸是流传至今的最早的相关设计图纸，同时他还记录了对鸟类各种运动的观察以及给出了相应的解释。所以，可以说人们的飞天梦想就是从模仿鸟类的扑翼机开始的。

  自上世纪90年代开始，由于各大国军备竞赛常态化，因此对于各类先进无人机的研发及应用进入了高潮阶段。自90年代DARPA首次提出“MAV”的概念以来，各大军火公司及科研单位均开展有关工作，依托长期以来的项目经验及科研成果，日本、德国、美国等国家均取得了一定的研究成果。其中德国自动化公司Festo，美国哈佛大学的成果最为突出。2010年，德国Festo公司研制出仿造海鸥外形的扑翼飞行器Smartbird，在当时大多数扑翼研究集中于微型扑翼的气动理论和样机研制的情况下，Festo公司首次研制出了飞行性能比较优越的大型仿生扑翼飞行机器。样机骨架采用碳纤维材料，翼展为1.96m，质量仅为450g。翅膀采用聚氨酯薄膜，并分为内翼段和外翼段，整个翅膀具有一定的翼型，飞行时能够主动地控制翅膀绕翅根的扑动和内外翼段的折叠。

  另外，Festo公司还推出了一款仿照蜻蜓的超轻量化飞行器——仿生蜻蜓“BionicOpter”。该飞行器能够模仿蜻蜓完成各种高难度空中动作，飞行器两个翅膀的宽度为63cm，体长为44cm，在如此狭小的空间内集成了各类传感器、32个驱动器、通信模块以及控制管理系统。研究人能通过控制系统实现飞行器13个自由度的自由飞行。

  2011年，AeroVironment公司成功研制出可用于实战的“Nano Hummingbird”。该飞行器采用柔性翅膀并运用被动变形技术，仅使用一个电源就能实现扑动、扭转的复合运动；采用直流电源供电，航时为240s，仿蜂鸟的飞行方式可以在一定程度上完成悬空并能灵活地改变飞行姿态，使用碳纤维材料作为骨架，创新性地采用带传动而非齿轮传动的机械结构，大幅度减少了整机质量，在满载装备时仅18g，在配备图像采集及信号传输设备的情况下，工作中飞行速度可达6m/s。

  2016年，是由哈佛大学推出世界上尺寸最小的扑翼飞行器“Microrobotic Fly”，仅1美分硬币大小，质量轻达80mg，特征尺寸只有30mm，依靠交流电供电，扑翼频率为 120Hz，与家中常见的果蝇相当。能够成功研制出如此小的飞行器，得益于新材料与先进加工技术的发展，“Microrobotic Fly”的动力源并非传统的直流电机或直流马达，而是一种压电材料，因此才能在交流电的作用下实现往复运动，因为舍去了传统机械中的传动部分，因此有很高的能源效率，为了进一步减少质量并保证结构强度，机架的材料采取使用的是特殊处理过的碳纤维板，经过3D加工后，能够直接折叠出机架的形状。

  2017年，美国TechJect公司研制出了性能卓越的仿蜻蜓扑翼飞行器“Robot Dragonfly”，特征尺寸15cm，载荷质量仅6克，前后两对仿生翅翼可以在一定程度上完成灵活的飞行，具有较高的机动性，改造速度可达10m/s；薄膜状的仿生翅翼能够有效地降低飞行时产生的噪音，便于执行隐蔽任务，两对翅翼之间具有相当大的空间，可以配备各种特殊设备以满足多种的任务需求。

  目前国内在扑翼飞行器设计方面，是与国外相比存在一定技术差距的。仿生扑翼飞行器的设计涉及到多个学科的交叉融合，其主要的关键核心技术点则包括生物学理论、空气动力学特性、动力产生及传动机制、飞行控制算法、环境传感策略、扑动的频率、幅度等参数以及翼尖轨迹对飞行性能的影响、翅翼的刚柔分布对飞行性能的影响、结构设计与优化、气动性能的实验测量等。然而，由于材料、结构、传感器、半导体、能源、加工工艺等现代工业水平的限制，仿生扑翼飞行器的发展仍然有较大的局限性，未来以下领域的技术突破，必将对仿生扑翼飞行器的设计、制造、量产及应用带来革命性进步。①能源技术。目前对飞行器的气动效率及续航时间限制最大的因素就是电池密度，仅仅改变电池的大小无法有效的提高续航能力。电池太小，不足以满足续航要求，电池太大，压缩载荷能力，降低飞行效率。大幅度提高电池密度能在很大程度上改善飞行器的飞行效率。

  ②非定常流体的气动理论。目前，对于扑翼飞行的气动力计算仍没有成熟的理论与方法，仅仅使用估算及计算流体力学的统计学方法并不能够达到令人满意的计算精度。③计算机仿真技术。由于部分理论限制，目前的仿真手段无法有效的对扑动过程中翅翼发生的柔性变形进行流体力学仿真，相关气动理论的研究也难以取得效果。④材料特性及其抗疲劳程度。结构的重量和刚度决定了整体机型的强度，另外，扑翼的高频振动会加剧材料的疲劳程度，因此，扑翼飞行器的设计离不开材料特性的分析，材料科学的进步未来可能会对扑翼飞行器带来革命性的改变。⑤控制技术。扑动方式直接影响了飞行器的气动效率，自由度越多，动作便越灵活，但是对于控制算法而言，其难度竟会是不同维度的。扑翼飞行控制算法的难点在于如何根据非定常流体的空气流动情况实时改变扑动方式，实现高效的飞行，如何利用有限的质量实现更复杂、高效的扑动方式。⑥通信与传感技术。在飞行器尺寸方面，得益于MEMS技术的发展在某些特定的程度上促进了飞控测量精度。但尺寸越小，精度就越差，如何在减轻重量的同时克服传感精度以及通信距离的不足，也是亟需解决的技术难点。

  仿生扑翼飞行器是基于仿生学原理设计制造出来的新型飞行器，在国防和民用领域具有很大的应用。其设计需要考虑诸多因素的影响，是一个多学科交叉融合的研究方向。相信经过人类的不断努力，仿生扑翼飞行器的诸多关键核心技术可得到逐步优化和提升。正如《沙丘》导演弗兰克·赫伯特所言：“无论存在于电影中完美的扑翼机、经过半个世纪曲折发展如今仍在迭代的双旋翼直升机，还是一个‘渺小的Falcon’，具备敢于突破的实践精神，才是未来的。”