仿生無人機的創新與發展

林一平/ 上海交通大學，上海市 閔行區 100000

采用人工智能研制仿生無人機具備一些昆蟲和飛禽的特質，擁有出色的短起落和垂直起落性能，尤其在低速、小型、微型、袖珍面優勢明顯，用途十分廣泛而且能簡化無人機的制造工藝，進行批量生產，降低成本，現已獲得了成功，應用前景看好。

研制仿生型無人機一直是無人機研發發的重要領域，也是無人機小型化、微型化后頗具難度的研究課題。人類向往能夠像昆蟲和飛禽那樣撲翼飛行已經有幾千年的歷史，然而由于受到時代和科技水平的局限，屢屢試驗，甚至付出了生命代價，結果均以失敗告終。

昆蟲和飛禽撲翼飛行的魅力在于它能夠以極小的力量產生升力托起自身重量，不需要跑道就可以離地升空；同時升空后的飛行期間沒有噪聲，不破壞自然環境；翅膀還能根據需要收放自如，收攏后也不影響昆蟲或飛禽行走等；完全符合輕量、節能、環保、高效的現代理念，一些發達國紛紛投入力量從事這方面的研究，先后研制成功了一些仿生試驗機和工程樣機。

樣機五彩繽紛

常言說麻雀雖小但五臟齊全。別看仿生型無人機體格小，但是它與大中型無人機相比結構系統不僅一樣面面俱全，而且功能和用途還更勝一籌。 研制仿生型無人機不僅要求其外形酷似某一飛行生物，做到形似，而且應該具備該飛行生物的一些基本功能。其研制難點在于小微型化，不但結構要求小而輕薄，而且要求機載設備、系統精細化、精密化、集成化，需要微型傳感器、袖珍芯片、微處理器、微型計算機等與之配套。這些均需要有一定的科技水平和工業基礎，尤其是研發得益于微機電系統(MEMS)、微積分增財制造、壓電致動器和低功率傳感器等技術的進步。

依靠人工智能仿生設計的一種撲翼袖珍無人機如圖1所示。它采用微電機驅動，全復合材料結構，機身比手指點還小。一對撲翼酷似昆蟲的翅膀，不僅全透明，而且有清晰的骨骼支撐；不僅翅膀很薄，而且重量非常輕；它不僅可以收攏翅膀，而且還可以展開翅膀。開機后，撲翼幾下就能夠輕松脫離手指升空，然后自由飛行。

依靠人工智能設計的另一種仿蜻蜓結構的撲翼袖珍無人機如圖2所示，其全復合材料結構體不僅符合仿生學，而且滿足彈性力學。它采用微電機驅動兩對翅膀，撲翼飛行。它體內安裝有微型傳感器和導航控制系統，能夠去執行高風險的目標偵察和搜尋任務。它不僅做到形似，而且還做到神似。倘若不仔細辨別，以假亂真，普通人還真難以識別出其真偽。該蜻蜓的重量還不到一盎司(5.5g)，可拍攝高清晰度的照片，也可通過Wi-Fi控制iPad或智能手機。其機身里擁有20個傳感器，能夠采集速度、高度、姿態、氣壓、溫度等數據，感知外界動態，穩定自身工況，自主巡邏，對目標監控，進行航拍，或特技飛行。

圖1 仿生設計的撲翼袖珍無人機

圖2 仿蜻蜓設計的袖珍無人機

圖3 “機器蜜蜂”仿生袖珍無人機隊

當今，隨著無人機技術的成熟和性能提高，人們已不再只是看到秀高難度飛行技藝的單打獨斗，大趨勢是需要更多的編隊飛行和協同行動。見到圖3中的“機器蜜蜂”仿生型袖珍無人機已經形成機隊。它們每個單體大小與銅幣相當，安裝一對撲翼，采用短柱型機身配三點立式起落架，能夠依靠撲翼產生升力垂直起降。它們陸續升空后，能夠在長機的帶領下編隊飛行去執行任務。它們圍繞同一個目標，互相之間能照應和幫襯，并且保持協同和良好配合，圓滿完成任務后一起返航。

類似的，人們從自然界中借鑒仿生原理，汲取靈感設計的無人機不勝枚舉。世界上最先使用微型遙控無人偵察機的是駐阿富汗的英軍部隊。他們裝備一種名為“黑蜂”的袖珍無人偵察機，外廓尺寸約為10cm×2.5cm，機身全部采用復合材料結構。它升空后能為地面部隊提供重要的戰場情報(圖4)。該無人機裝備了一部微型攝像機，可為作戰部隊反恐提供動態圖像或是靜態照片，士兵可以使用其對街角、圍墻或是其他障礙物進行偵察，以預知這些視覺死角后方是否存在著潛在的危險。

高于生物境界

在研制低速、小型、微型、袖珍無人機方面，采用復合材料作為主航材，工藝簡單，可去掉許多道繁復的中間加工工序，節省人力資本和物流成本，使工藝流程達到順暢，濃縮性高、集成性佳，經濟性好，非其他主航材及其工藝所能與之競爭。

復合材料在無人機制造中的優勢在于比金屬類制造工藝簡單，成本低，容易形成批量規模。尤其在無人機研發初期投入省，見效快，風險低。在無人機研制中后期隨批產量增加，成本明顯降低。在模塊化開發方面，對無人機系統集成、功能擴充、技術升級、性能提高方面帶來諸多方便。

從圖5的仿生型袖珍無人機設計中可見，這已經不是一般意義上的模仿或仿生設計，它在機身前后安裝了二對撲翼，設置了四個機輪，機載設備就位于機身中央艙。既沒有特指像某種飛行生物，又沒有去刻意仿制哪一種飛行生物，而是集成數個飛行性能優良生物的諸多特點于一身，再加上人類智慧的結晶，形成一種超級仿生型無人機。這不同于被動對式的仿生設計，也不同于機械式的模仿設計，而是人類新一輪的創造。即體現了源于飛行生物，又高于飛行生物的境界。這才是基于人工智能研制的仿生型無人機的真正魅力。

圖4 英軍士兵放飛的“黑蜂”袖珍無人偵察機

圖5 仿生設計的兩對撲翼“袖珍”無人機

圖6 仿蚊子設計的“袖珍”無人機

把這種超級仿生型無人機用于民用領域，批量生產裝備的仿生型袖珍無人機可編隊飛行去參加星空排字表演，去參加夜空燈光繪畫，傳播中華文明，傳播美的文化，豐富市民的節日生活；可在農田低空作業，實施大面積播種；或形成人工蜂群去驅趕蝗蟲保莊稼，保收成；也可擔任賽場的裁判，去足球賽、橄欖球賽全場、全程飛，去除黑哨，公正執法；再去高山巡線，力保高壓電力網安全暢通；深入抗震救災第一線、深入抗洪救災第一線速遞急救藥品、食品和飲用水；還可分別去送快遞等。

把這種超級仿生型無人機用于軍事領域，批量生產裝備的袖珍無人機能很好地進行人-機對話，人-機協同。一架飛機能夠攜帶數十架仿生型無人機，在戰區空域投放后，可以長僚機編隊方式突防，也可以實施“狼群戰術”，輪番進攻，在短時間內大量消耗敵方防空火力，深入縱深襲擾敵方，破壞管線、電站、水庫、彈藥庫，癱瘓指揮中樞，并圍殲守敵。

促進交叉融合

從上述仿生無人機的研發中可見，經過一些機型的發展在技術上已經有了不小的改進與完善，然而要達到代際式的提升，還必須要有實質性的科技進步，甚至技術跨越。

現以目前研制中的仿生無人機為例，雖然外形已經接近仿生對象，翅膀等也基本具備撲翼飛行功能，但是機身卻依然是剛體，既缺乏柔性，又缺乏彈性，給一些特定場合(如需要在灌木中或峭壁上安全起降，需要在叢林中穿行)多棲活動帶來不便和麻煩，有必要采用可變形的軟體機身與之匹配，這實際對航空科技提出了新的、高難度的挑戰。

然而4D打印智造卻可以助力仿生設計的袖珍無人機，見圖6。4D打印智造材料正在超越3D打印領域，并會根據自身所處的環境需要進行某種轉換。它比3D打印更進一步，使用高端設計和特殊材料來打印機體，使機體在環境條件(如溫差)變化下會隨之改變形狀，從而獲得許多高級應用。基于這項技術的4D打印與3D打印有一個很大的不同之處， 在室溫22.8℃～90℃區間，該材料的剛性調節可以超過100倍，并能很好地控制變形，并達到減震效果。期間，該類材料可重新成形，以用于各種目的。即可以暫時變形，轉變為任何形狀。經加熱，其能再依據技術要求恢復原始形狀。或將根據需要做再次改變，應用于飛機或無人機設計，應用于需要改變性能的機身、機翼等部件，既能在遭到破壞或被擊中時保持剛性，又能像海綿一樣變軟以吸收震動等。

現已研制成功的一種仿蚊子袖珍無人機(見圖7)的機身為柔體結構，飛行時能夠自行展平，一爬行時能夠自由彎曲；能與6條腿協調邁步行走；其機背可放置收攏后的翅膀；機首可安裝袖珍傳感器、微型雷達和攝像機；降落手指上能做到四平八穩。其不僅能單機執行偵察任務，而且編隊飛行時可一面發出煩人的聲響，恐嚇敵人，另一面可多波次襲擾敵方人群休息，使其喪失戰斗力。

現今仿生設計的袖珍無人機大多屬于微米級或毫米級機器人范疇，主要依靠物理、光學、磁或射頻線束來提供功率、控制和處理，這在一定條件下限制了它們更多的用途。目前尚缺可以靈活執行復雜任務，且結構系統完整的微米級或毫米級機器人系統。

應用人工智能進行仿生型無人機的設計促進了多學科、諸系統的配套及整合，尤其是加速了機載元器件的微型化、精細化、集成化的進程。豐富了無人機結構設計形式、機構設計內容的多樣化，使之更科學、更合理。達到良好的機械性能與成熟的工藝性、結構輕量化三者之間高度統一。這些既需要進行多學科的交叉與技術融合，新科技的注入，又離不開大量工程實踐的經驗積累。包括AI參與的復材3D 打印量產降本，引入4D打印超材的可調性、可重構性和可部署性，在靈巧化、納米化、信息化、大數據等方面為仿生無人機研發做出新貢獻。