基础知识
彩万志
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摘 要 文章介绍了虫形飞机的概念和用途!类型!基本结构!设计与制造难点等方面 并简单介绍了我国有关研究情况∀
关键词 昆虫 虫形飞机 微型飞行器 仿生学 功能形态学
3国家自然科学基金支持项目 ∀
收稿日期 2 2 修回日期 2 2
昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类
也是无脊椎动物中惟一具翅的类 其高超的飞行技巧时常使自认为是万物之灵的人们愧叹弗如∀能制造像昆虫一样大小并且具有相同飞行能力的飞行器是人们长期以来的梦幻 然而 近年来随着微型照相机!微型红外传感器!微型检测器和计算机芯片等的问世 这一梦幻正在逐步变为现实∀
1 虫形飞机的概念和用途111 虫形飞机的概念
虫形飞机 是一类特殊的微型飞行器 √ 简称 ∂ 它不是简单地由普通飞机微型化制成 而是一类高度集成化的智能机器人∀因此
该类飞行器又被称为飞行机器人 !机器虫
∏ !微机械飞虫
简称 ƒ !多型电机虫 ∏ 2 等∀按照虫形飞机的最权威学者美国佐治亚技术研究所 博士等 年的定义≈
虫形飞机指用人造肌肉技术制造的能短距离平飞并定位着陆的机器人化微型飞行器∀本文中虫形飞机为广义的虫形飞机
即体积像昆虫一样大小的飞行器 即广义的虫形飞机∀
微型飞行器的概念是美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员在进行超小型空中监视平台的研究时首次提出的 美国国防部国防高级研究计划署 ⁄ ° 从 年就开始这种飞行器的论证工作 并把它们的尺寸规定在 ∗
之间∀ 年组建了可行性研究小组 年正式成立一个用户和研制人员联合小
组 并于 年拨款 万美元制订一个为期 年的研制计划 开展了一系列的研究≈ 近
年来取得了可喜的成果∀ 年 月美国专利局为 所发明的多型电机虫授予佐治亚技术研究所一个专利 专利号为 这意味着虫形飞机将从实验阶段进入商业化阶段∀
112 虫形飞机的用途
这些机器虫在空中飞行 不仅肉眼很难发现 就是雷达探测器也很难探测到 即使被/看0到也很可能被认为是一只普通的昆虫 甚至飞入房间!停在墙上也不会引起人们的注意∀虫形飞机由于体小质轻 使用非常方便 能完成大
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型武器不能完成的多种任务 如可以用其在街道密集!高楼耸立的城市作战 对特定目标进行监视!监听和跟踪 甚至像一只蜜蜂钻入到指挥部!情报室内窃听军事机密 收集视觉!化学和生物情报 然后把这些准确的情报送回操作者手中 可以在倒塌的建筑中寻幸存者 也可用于清扫战场 检测有毒化学物品 必要时 它还可以携带高能同敌军指挥部或机要处所同归于尽∀此外 它们还可以用作雷达干扰器 当虫形飞机飞至雷达附近时 能对雷达进行有效的干扰∀一些发达国家军方为此投入了大量的人力物力 以期取得战争的主动权∀
当然 虫形飞机还可用于野外勘察!环境监测和保护!科学探险等方面 如可以让它们监视和消灭害虫或为农作物授粉 跟踪野生动物 巡逻牧场 监控道路交通 飞落在烟囱上测量废气排放量 监测溢出化学物的浓度!监视犯罪团伙等等∀此外 虫形飞机在医学上的用途更大 负责研制机器蝇的ƒ 博士曾设想用苍蝇大小的虫形机器人可以利用最小入侵手术技术 √ √ ∏ ∏ 在人的体腔内施行手术∀可想 虫形飞机将会给科学研究和人们的生活带来极大的方便∀因此 有关方面的研究备受政府部门和科学家们的关注∀
2虫形飞机的类型
近年来 各国的研究者们设计出各种各样的虫形飞机 图版 图 ∗ ∀根据飞行原理可将它们分为 类∀
211固定翼虫形飞机 ¬ 从传统的固定翼虫形飞机演变而来 在目前的众多设计模型中尚占有一定比例∀
212旋翼虫形飞机 从传统的直升飞机演变而来∀如上海交通大学薄膜与微细技术实验室主任蔡炳初教授及其合作者研制的双螺旋桨微型飞机即属此类 该机长仅 高 机重 ∀它可在 粒花生米大小的平面上作垂直升降∀德国前些年就已研制出只有黄蜂般大小的直升机∀213扑翼式虫形飞机 2
模拟昆虫及鸟类飞行设计而成∀虽然这类虫形飞机的研制比较困难 但为今后发展的目标∀严格而言 只有这类微型飞行器才能称为虫形飞机∀ 年初 加利福尼亚大学开始研制一种扑翼式虫形飞机叫/机器蝇0 计划到 年底能够飞行∀机器蝇只有普通苍蝇大小 样子也像苍蝇∀这种虫形飞机重约 直径 ∗ ∀
3虫形飞机的基本组成部分
虽然已有的虫形飞机在外形上差别较大 但基本组成部分却大体相同 图版 图 ∀311机身
像大型飞行器一样 机身 ∏ 为虫形飞机的外壳和框架 动力源和初级燃料罐位于其中 其他部件也附着其上∀基本框架一般用不锈钢制成∀
312机翼
扑翼式虫形飞机有 对机翼或 对机翼 机翼一般用聚酰亚胺制成 形状多似昆虫之翅 并且根据双翅目翅的功能形态使机翼的前缘部分有坚硬但可弯曲的脉纹 图版 图 ∀313人造肌肉
人造肌肉又称化学胶体 它利用化学或电流与一种类似橡胶的物质发挥传动作用∀佐治亚技术研究所的虫形飞机则采用了往复式化学肌肉 ∏ 简称 ≤ 它与机翼相连 在化学能的驱动下使机翼扑动 并能通过直接转换为机上微系统提供部分能量∀314传感器
在机身的不同部位有一些传感器 负责飞机四周的信息∀一般位于头尾两端∀昆虫的视觉神经系统是高效的信息传感系统 在微型飞行器研究中具有重要的意义∀ 年 英国的 ≈ 教授及其同事们根据蝗虫视觉系统中的行动信息传感机制成功地研制出飞行生物传感器∀
315照相机或摄像机
最初的虫形飞机没有微型照相机 科学家
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图1 各类飞行物的雷诺数
们期望最终能携带照相机或摄像机或味觉传感器 后者能感受气味 使虫形飞机到气味源∀
316 表面操纵装置
该装置能在虫形飞机执行地面任务时帮助虫形飞机导航∀
317 足
足又叫腿或表面行走器
它们不仅用于在物体表面行走或支撑 而且提供反卷惯量及储藏辅助的燃料∀
此外 虫形飞机还有次要部分 如分速器!促动器!太阳能翼段等∀
4 虫形飞机的研制难点
虫形飞机微型飞行器不同于传统概念上的飞机 它是 ∞ ≥ 微电子机械系统 集成技术
的产物∀在研制方面的困难主要有 个方面∀
411 机载设备微型化
包括作动器!电机!摄像和其他有关部件 在设计时应尽量减少体积和重量∀
412 微型动力
既能装在微型飞行器内 又要能储备足够的能量 除维持飞行器的飞行外 还能对机载设备提供能源∀
413 气动设计
关于大型固定翼和直升飞机的设计已是一项比较成熟的技术 但这些方法用于虫形飞机的设计时均以失败而告终∀在传统空气动力学中 雷诺数 ∏ 反映了飞行物惯性和粘性之比
虫形飞机的雷诺数和昆虫的接近 图 ∀如果按传统空气动力学计算 昆虫升力远小于昆虫的重力
理论上昆虫不能飞行 显然用以往的常定的!非定常流体力学原理不能解释昆虫的飞行
相应用于大型飞机设计的方法也就无法应用于虫形飞机的设计 特别是无法用于扑翼型虫形飞机的设计∀所以 研究昆虫的功能形态学!飞行动力学一直是近年来各国学者关注的热点≈ ∗ ∀
414 自动控制系统
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因为这种飞行器与无线电遥控飞机模型完全不同 需要能自主飞行∀澳大利亚国立大学的一个科研小组在仿生学的基础上 通过对几种昆虫的研究已经研制出虫形飞机 它们有着蜻蜓的灵活敏捷 而且定位像蜜蜂一样准确∀科学家根据蜻蜓!蝇子!蜜蜂等昆虫的复眼构造研制出了一个电子复眼模型 电子复眼通过测量紫外光和绿光的分布来保持水平飞行 从而解决在火星过于稀薄的大气中如何平稳飞行的问题∀而导航问题的解决则得益于对蜜蜂的研究 火星上没有 °≥系统 也没有可以判断方向的磁场 所以地球上常用的导航方法到了火星上便失去了作用 而蜜蜂是使用天空中的磁偏振图形!陆地标志!飞行距离相结合来导航的∀这个研究小组计划在 年研制出成熟的!有实用价值的导航传感器 在 年对这种小型飞机做最终测试∀并计划让这些虫型飞机在 年探测火星 峡谷的岩石结构∀
415用于数据传送的电源
因为飞机动力设备可以设法微型化 但作为传送某一带宽的摄影图像的电源却很难缩小∀
416智能材料
佐治亚技术研究所的研究人员已经发明了一种为虫形飞机提供动力的新方法∀他们使用一种以化学物质
供能的可上下往复运动的人造肌肉来为 重的虫形飞机提供动力 这种飞行器通过像昆虫那样拍动它的翅膀来飞行∀推进微型飞行器的能源来自一种催化系统 该催化系统将化学物质分解 产生热和气体∀
5我国虫形飞机的研究概况及展望
我国科学家始终注意微型飞行器的发展动态 并开始这方面的基础和应用研究工作∀昆虫学方面 张志涛等≈ !曹雅忠等≈ !程登发等≈ !吴孔明和郭予元≈ !彩万志等分别开展了昆虫飞行动力学!生理学!功能形态学等方面的研究∀力学和飞机制造方面 兰世隆和孙茂≈ 主要是昆虫非定流动机理及微型飞行器仿生流体力学的研究 系统地了解昆虫飞行中的非定常流动机理 以了解释昆虫何以有高超的飞行技能 在此基础上 探索微型飞行器的飞行原理 包括气动布局新概念!新控制方式!最大速度!允许重量!需用功率等问题∀曾理江≈ 研究了自由飞行昆虫跟踪测量的测量方法 精密测量昆虫运动姿态!翅膀变形!扇翅力等 在此基础上建立昆虫运动模型 研究昆虫运动机理∀赵亚溥≈ 也就微型飞行器的关键力学和智能材料问题进行了研究∀此外 尚有上海交通大学!西安工业大学!南京航空航天大学等单位先后进行了有关研究∀但总体而言 我国在这方面的研究与国外相比尚有一定差距 尤其是实践方面更是如此∀虫形飞机是典型的重大高科技仿生学工程 需要昆虫学!自动化!电子学!力学!机械制造!神经学!控制论等多学科长时间的密切协作和政府!企业的大力支持∀中国在虫形飞机方面的研究可谓任重道远∀
致谢承蒙英国 • 教授!美国 ⁄ 教授等惠赠资料 中国农业大学沈佐锐教授!中国科学院生物物理研究所赫荣乔先生审阅论文初稿并提出良好的建议 谨此铭谢∀
参考文献
⁄ ≥ ≤ ° ∂ ≥ ∗
≥ °∂≤ 2 ∞ ∗
ƒ ≤ Μιχροσχ Ρεσ Τεχη 56 ∗ • Ανν Ρεϖ Εντοµολ 37: ∗ ∞ ≤ Αµερ Ζοολ 24 ∗
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⁄ ƒ ≤ • ° Αµερ Ζοολ
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⁄ ƒ ≥ ≥ ° Σχιενχε 284 ∗
∏ × Αππλ Πηψ 64 ∗
(下转第455页)
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(上接第467页)
∏ Οπτ Ενγιν 36 ∗
∏ ≤ ° ∗ 张志涛 陈伟 傅强 昆虫学报 39 ∗
陈伟 张志涛 傅强 昆虫学报 39 ∗
曹雅忠 罗礼智 李光博 胡毅 昆虫学报 38 ∗ 程登发
田 孙京瑞 倪汉祥 李光博 昆虫学报
40 ∏ ∗
吴孔明 郭予元 昆虫学报 40 ∗
兰世隆 孙茂 力学学报 33 ∗
曾理江 中国科学基金 ∗
赵亚溥 中国科学基金 ∗
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