人造昆蟲(chóng)——微型飛行器

沈海軍 王旭

從飛機(jī)誕生至今的百余年航空發(fā)展歷史中，飛機(jī)的尺寸不斷刷新記錄，分別向著更大或更小兩個(gè)方向發(fā)展。目前，人類(lèi)設(shè)計(jì)并成功飛行的飛機(jī)中，個(gè)頭最大的當(dāng)屬蘇聯(lián)的“安225”。“安225”翼展約88米，機(jī)長(zhǎng)84米，是名副其實(shí)的空中“巨無(wú)霸”，它不僅是體積最大的飛機(jī)，而且也是載重量最大的飛機(jī)。至于說(shuō)世界上個(gè)頭最小的、可飛行的飛機(jī)，只有1枚硬幣那么大，如美國(guó)哈佛大學(xué)的撲翼微型飛行器——“機(jī)器蜂”、我國(guó)同濟(jì)大學(xué)的昆蟲(chóng)動(dòng)力飛機(jī)，其重量均僅為數(shù)百微克。

“帶著刺的飛蟲(chóng)”

若要追溯微型飛行器的由來(lái)，時(shí)間應(yīng)回到1992年。那一年，美國(guó)剛剛漂亮地取得了第一次海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。美國(guó)國(guó)防部隨即召開(kāi)了題為“未來(lái)科技驅(qū)動(dòng)的軍事變革”的研討會(huì)。該研討會(huì)旨在總結(jié)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中高新技術(shù)所起的關(guān)鍵作用，并為美軍提供一些未來(lái)作戰(zhàn)的新型技術(shù)構(gòu)想。其中的兩種新技術(shù)即是微型飛行器的原始構(gòu)想，這兩種飛行器分別被命名為“墻上的飛蟲(chóng)”及“帶著刺的飛蟲(chóng)”。前者指攜帶多種傳感器并能實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境偵查的類(lèi)飛蟲(chóng)機(jī)器人，后者則指具備癱瘓敵方系統(tǒng)能力的類(lèi)飛蟲(chóng)機(jī)器人。1997年，美國(guó)國(guó)防部制訂了一個(gè)為期4年、耗資3500萬(wàn)美元的微小型飛行器研究與驗(yàn)證計(jì)劃，即“國(guó)防先進(jìn)研究項(xiàng)目”（英文縮寫(xiě)為DARPA）。DARPA的研究范圍涉及飛行器及其主要子系統(tǒng)，如推進(jìn)系統(tǒng)、飛行控制/引導(dǎo)系統(tǒng)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。

起初，美國(guó)科學(xué)家們?cè)O(shè)想，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可能將這些飛行機(jī)器做到1厘米大小并有約1克的有效載荷；然而，經(jīng)可行性分析后，科學(xué)家們認(rèn)為，15厘米最大尺寸、小于90克總重、最大有效載荷18克的飛行器比較適合目前的科技水平。于是，15厘米成為判別微型飛行器的一把標(biāo)尺，“尺寸為15 厘米大小并能靠其自身能力飛行和完成各種探測(cè)任務(wù)的飛行器”隨之成為業(yè)內(nèi)普遍接受的微型飛行器的定義。

與常規(guī)無(wú)人飛行器相比，微型飛行器具有體積小、重量輕、成本低的優(yōu)勢(shì)，它們操縱方便、機(jī)動(dòng)靈活、噪音小、隱蔽性好，具有很高的軍事和民用應(yīng)用價(jià)值。因此，微型飛行器得到了不少?lài)?guó)家的極大關(guān)注，很快成為國(guó)際上新的研究熱點(diǎn)。

固定翼 撲翼 旋翼

當(dāng)鳥(niǎo)兒從空中飛過(guò)，稍加留意的話(huà)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們有兩種基本的飛行方式：拍打著翅膀飛或者滑翔，也就是所謂的撲翼飛行模式和固定翼飛行模式。在110年的航空歷史長(zhǎng)河中，人們對(duì)撲翼飛行器和固定翼飛機(jī)均進(jìn)行了大量的嘗試和研發(fā)實(shí)踐工作。然而，沿著固定翼飛機(jī)這條發(fā)展道路，似乎走得更為順利，取得的成果也更為輝煌。

鑒于固定翼在常規(guī)飛機(jī)上的良好表現(xiàn)，早期的幾款微型飛行器均采用固定翼模式。其中最高水平的代表是美國(guó)的“黑寡婦”和“微星”?！昂诠褘D”是美國(guó)于1998年研制的一種固定翼微型飛行器。該飛行器外型類(lèi)似于盤(pán)狀飛碟。最大直徑15厘米， 由微電機(jī)驅(qū)動(dòng)前置螺旋槳產(chǎn)生拉力，采用鋰電池提供能源，微型飛控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)接收器和3個(gè)微型舵機(jī)組成。該飛機(jī)經(jīng)試飛，其留空時(shí)間為16分鐘，最大飛行速度70千米/小時(shí)?！拔⑿恰睅缀鹾汀昂诠褘D”同時(shí)研發(fā)成功，該固定翼微型飛行器來(lái)自于美國(guó)洛克希德·馬丁公司，設(shè)計(jì)總重僅為85 克，留空時(shí)間20分鐘，未來(lái)將具備GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)和攝像功能，設(shè)計(jì)者希望將其打造為戰(zhàn)場(chǎng)上前所未有的高效偵察工具。

近年來(lái)，在DARPA的資助下，微型撲翼飛行器的研究也取得了一定成果。較典型的微型撲翼飛行器是美國(guó)加州技術(shù)學(xué)院研制的“微型蝙蝠”和斯坦福研究中心研制的“領(lǐng)路人”?！拔⑿万稹笔亲钤绲奈⑿碗妱?dòng)撲翼飛行器之一。其機(jī)翼采用微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)加工制作而成。通過(guò)重量輕、摩擦低的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)闄C(jī)翼的撲動(dòng)。該飛行器現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了4種不同的原理樣機(jī)。目前飛行性能最好的是第四代樣機(jī)。該機(jī)以鋰離子電池為動(dòng)力，重11.5克，最大尺寸20.3厘米，飛行方式為無(wú)線(xiàn)電遙控飛行，最大續(xù)航時(shí)間為6分17秒?！邦I(lǐng)路人”微型撲翼飛行器重50克，有4片機(jī)翼，以電致伸縮聚合體人造肌肉為動(dòng)力。

除了固定翼和撲翼模式外，旋翼也是微型飛行器的重要發(fā)展方向之一。微型旋翼飛行器與微型固定翼飛行器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是：能夠垂直起降和懸停，適宜在比較狹小的空間或復(fù)雜的地形環(huán)境中使用。微型旋翼飛行器的典型代表是洛克尼克公司研制的“科里布里”（Kolibri）和斯坦福大學(xué)研制的“麥斯考普特”（Mesicopter）?！翱评锊祭铩蔽⑿托盹w行器的基本尺寸為10厘米，重316克，采用重37克的微型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，燃油重132克。這種飛行器上部裝旋翼，下部裝照相機(jī)，采用GPS自動(dòng)駕駛，可以垂直起降和旋停，留空時(shí)間至少30分鐘，可攜帶大約100克的設(shè)備?！胞溗箍计仗亍蔽⑿托盹w行器是一個(gè)厘米級(jí)大小的飛行器，其機(jī)身為16×16平方厘米的方形框架，有4個(gè)螺旋槳，螺旋槳直徑為15毫米，厚度僅為0.08毫米，每個(gè)螺旋槳由直徑為3毫米、重325毫克的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

三大瓶頸

從微型飛行器的研究現(xiàn)狀來(lái)看，盡管已經(jīng)取得了相當(dāng)不錯(cuò)的技術(shù)成果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但是，微型飛行器仍處于試驗(yàn)階段，離實(shí)用化還有相當(dāng)大的差距，許多技術(shù)難題成為阻礙其發(fā)展的瓶頸。

首先是所謂的低雷諾數(shù)問(wèn)題。雷諾數(shù)是一個(gè)用來(lái)描述流體中物體慣性力與黏性力之間比值的參量。一般來(lái)說(shuō)，雷諾數(shù)越小，表明物體的相對(duì)黏性阻力越大。常規(guī)飛行器的雷諾數(shù)大致為100萬(wàn)到數(shù)百萬(wàn)，空氣的黏性效應(yīng)可以忽略。微型飛行器的雷諾數(shù)約為幾千，空氣黏性阻力相對(duì)較大。目前，微型飛行器在低雷諾數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題還處在試驗(yàn)階段，沒(méi)有具體的理論和經(jīng)驗(yàn)公式可遵循。常規(guī)飛行器設(shè)計(jì)中所采用的許多成熟技術(shù)，如氣動(dòng)計(jì)算方法軟件系統(tǒng)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)并不適合微型飛行器，必須發(fā)展新的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

第二是微型動(dòng)力系統(tǒng)。鋰電池電動(dòng)機(jī)、微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)以及太陽(yáng)能等，是微型飛行器可選用的幾種重要?jiǎng)恿υ?。鋰電池是目前微型飛行器中使用最為普遍的能源。最近的報(bào)道顯示，利用特殊的技術(shù)工藝，最小鋰電池的尺寸已經(jīng)逼近黃豆大小。美國(guó)麻省理工學(xué)院正在研制一種紐扣大小的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)加工制作，工作原理與常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相似，使用氫為燃料，直徑1毫米，厚度3毫米，轉(zhuǎn)速每分鐘可達(dá)240萬(wàn)轉(zhuǎn)，重量?jī)H1克，推力為0.05～0.1牛頓，輸出功率將達(dá)到10～30瓦。此外，往復(fù)化學(xué)肌肉、電致伸縮人造肌肉、彈性動(dòng)力和熱電動(dòng)力太陽(yáng)能等新技術(shù)，目前也在研究中。

最后是飛行控制。在常規(guī)的飛行器中，依靠副翼、升降舵和方向舵來(lái)控制飛機(jī)滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的三軸飛控系統(tǒng)已趨于完善。而對(duì)于微型飛行器而言，小尺寸、低雷諾效應(yīng)使得飛機(jī)的控制面效率變得極為低下，常規(guī)的飛行控制方式遇到困難。一個(gè)解決途徑是發(fā)展基于微機(jī)電系統(tǒng)的新型控制方式。目前比較有前途的是在微型飛行器的表面分布微氣囊和微型智能自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)微流動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)微型飛行器的飛行控制。

模仿與控制

昆蟲(chóng)飛行時(shí)，更多的時(shí)間是拍打著翅膀。微型飛行器要做得很小，譬如像小飛蟲(chóng)大小，人類(lèi)就必須要向它們“取經(jīng)”，學(xué)習(xí)它們的本領(lǐng)。人們發(fā)現(xiàn)，昆蟲(chóng)通過(guò)連續(xù)撲打其膜翅，能夠讓自身靈活高效飛行，不僅如此，昆蟲(chóng)還能在空中懸停甚至穿梭。這些都是自然界長(zhǎng)期進(jìn)化后選擇的最佳飛行方式。這種飛行方式兼具固定翼飛行及旋翼飛行的優(yōu)點(diǎn)，把低雷諾數(shù)下的空氣動(dòng)力學(xué)原理利用得淋漓盡致?？茖W(xué)家們由此逐漸發(fā)現(xiàn)了撲翼式微型飛行器的前景，于是大量專(zhuān)家紛紛投入到這一研究領(lǐng)域。近來(lái)，由荷蘭代爾夫特大學(xué)研制的、由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的撲翼微型飛行器“代爾夫飛蟲(chóng)”（Delfly Micro）據(jù)稱(chēng)是目前攜帶了傳感器和攝像頭的最小撲翼機(jī)，它的最大展長(zhǎng)只有10厘米，質(zhì)量?jī)H為3.07克。

要將飛行器做成昆蟲(chóng)般大小，另一個(gè)棘手的問(wèn)題就是動(dòng)力源要極小且極輕，現(xiàn)有技術(shù)很難將動(dòng)力源做到更小而仍能提供足夠的動(dòng)力。針對(duì)微型撲翼飛行器上下?lián)浯驒C(jī)翼的特點(diǎn)，一些科學(xué)家專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種叫“往復(fù)化學(xué)肌肉”的能量源，其通過(guò)對(duì)化學(xué)能的控制，可以模擬肌肉的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)翼上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種先進(jìn)的動(dòng)力源不需要額外的電能及氧氣。美國(guó)喬治亞理工學(xué)院的科學(xué)家運(yùn)用這種動(dòng)力源研制了一款叫作“昆蟲(chóng)機(jī)”（Entomopter）的微型飛行器，它具有15～18厘米的展長(zhǎng)，可攜帶10克左右的有效載荷。得益于其無(wú)需電能及氧氣的動(dòng)力源，美國(guó)宇航局的科學(xué)家正準(zhǔn)備利用“昆蟲(chóng)機(jī)”這一平臺(tái)研發(fā)可在火星飛行的微型飛行器。

最近，由哈佛大學(xué)的科研人員歷時(shí)12年研制成功了世界上最小、最輕且可按預(yù)設(shè)路徑飛行的微型撲翼飛行器“機(jī)器蜂”。這是一架將尺寸做到了極致的微型撲翼飛行器，只有指甲蓋大小，重僅0.1克。它融入了當(dāng)今的諸多先進(jìn)成果。然而從客觀(guān)上講，它還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到完成不同偵測(cè)任務(wù)的能力。雖然如此，這已經(jīng)是人類(lèi)在模仿大自然道路上的巨大跨越了。

正當(dāng)人們千方百計(jì)模仿大自然的奇妙創(chuàng)造時(shí)，另一些人正忙著做一些更加難以置信的事情——控制昆蟲(chóng)。道理很簡(jiǎn)單，既然人類(lèi)興師動(dòng)眾地模仿大自然，還不如直接利用已經(jīng)由大自然“雕琢”了數(shù)億年之久的“成品”昆蟲(chóng)。這一設(shè)想正在被一些科學(xué)家付諸實(shí)踐。

昆蟲(chóng)雖小，但它們?yōu)檫m應(yīng)生存環(huán)境已經(jīng)進(jìn)化出了一套精密而復(fù)雜的生命系統(tǒng)。人們?cè)O(shè)想，可以在它們的觸角附近安裝微型刺激裝置，在它們的中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部或神經(jīng)肌肉連接處植入電極，從而控制昆蟲(chóng)的行動(dòng)方向。最近，同濟(jì)大學(xué)的研究人員將小型電極插入蟬的足肌肉，并利用小型紅外接收機(jī)控制這些電極，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)蟬行動(dòng)方向的遠(yuǎn)程控制。美國(guó)密歇根大學(xué)的科學(xué)家更是提出，利用壓電材料來(lái)收集由于昆蟲(chóng)上下?lián)鋭?dòng)翅膀而產(chǎn)生的能量，并用這些能量為植入昆蟲(chóng)的微型控制系統(tǒng)及通訊裝置提供能源。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲(chóng)真正意義上的控制，科學(xué)家要做的是將控制、通訊及供電裝置縮小到足以植入昆蟲(chóng)體內(nèi)而不引起昆蟲(chóng)的反感。而這些需要解決的問(wèn)題似乎又回到了微型飛行器發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)的原點(diǎn)，即微型化。這給人們一個(gè)重要的啟示，也就是，無(wú)論微型飛行器的發(fā)展方向是人造昆蟲(chóng)，還是真正的昆蟲(chóng)，都必須首先將那些人造部件縮小到極致。