師從自然的仿形飛行器

沈海軍 余翼

2021年6月1日，一條長1.8米、全身碧藍的“大飛魚”掠過上海市郊上空，歷經數分鐘飛行后穩穩落地。它便是同濟大學飛行器工程研究團隊的最新研究成果—一架仿生飛魚無人機。

人類仿生飛行的想法由來已久，嚴格講，《封神榜》中的雷震子、中國明代的飛行火器“神火飛鴉”均可以被納入仿生飛行的范疇。仿生飛行學致力于發現飛鳥、飛魚、昆蟲等會飛生物的優良飛行特性，并將這些性能運用到飛行器研制之中。如今，仿生飛行學已發展成為現代航空領域的重要方向之一。

仿生與仿形飛行器

自然界中，經過億萬年的優勝劣汰，許多生物進化出了諸如高效的氣動外形、可靠的內部結構、獨特的環境感知系統等優良特性，這無疑給人類發展新科技和設計新產品提供了重要參考。20世紀初，仿生技術逐漸走進人們的視野。直到20世紀60年代，美國科學家斯蒂爾提出仿生學概念，仿生學才被人們視為一門專門學科納入科研和生產當中。

近年來，人們將仿生學運用到飛行器設計中，以提升飛行器的性能，并且取得顯著效果，于是就有了“仿生飛行器”。飛行器仿生具有不同的分類，包括形態仿生、結構仿生和肌理仿生等。其中，形態仿生也叫仿形仿生，是指飛行器從外形上對自然界生物進行模仿；結構仿生則是指飛行器在內部結構上參考自然界中的特定生物；肌理仿生是指飛行器在表面設計時參照生物體表的微觀肌理。不管何種仿生，目標都是一致的，那就是寄希望以此增強飛行器的性能。

在諸多仿生飛行器的研制思路中，仿形是最常見的仿生設計形式之一。繽紛多彩的大自然里，萬物形態各異，為人們設計飛行器外形提供了原始的參照樣本。

早在2000多年前的古埃及，人們參照鳥類的形態制造出“古埃及木鳥”，其外形已初具滑翔機的雛形；2019年，同濟大學的研究團隊更是給上述“古埃及木鳥”裝上動力，并把它送上了藍天。20世紀初，人們熱衷于對鳥類、蝙蝠和昆蟲的形態進行模仿，制作出了形形色色的飛行器，但因為當時的技術水平有限，這些飛行器的飛行性能低下，尚無法與自然界中的原型生物相提并論。

在人類發明飛機之前，最重要的技術突破是將飛行器分為兩部分開展設計，一部分是以機翼為主體的增升部分，另一部分是以引擎為主體的動力裝置，并據此提出了飛機的設計思路，為飛機的發明奠定了最初的理論基礎。

如今，人們已經研制出了各種各樣的飛行器，但飛機設計師們仍孜孜不倦地嘗試著將仿形運用到飛行器設計中，試圖獲得性能更佳的飛行器。

仿鳥飛行器

鳥類能夠在天空中自由翱翔，令長期只能生活在地面上的人類羨慕不已，因此，鳥類成為仿形飛行器最早、也是最受歡迎的模仿對象。這種飛行器常被稱作“仿鳥飛行器”。目前，仿鳥飛行器主要有兩個研究方向：一是模仿鳥類形態的滑翔機，這種類型的飛行器機翼是固定的，憑借其出色的氣動外形可以獲得良好的滑翔能力；二是仿鳥類的撲翼機，即通過翅膀的撲動來獲取升力和機動能力。

自古以來，人們便對能夠在天空中自由飛翔的鳥類充滿了美好向往。宋朝張騭的《太平御覽·文士傳》中就提到了張衡設計、制造的一款木鳥，它依靠腹部特殊的控制裝置可滑翔數里遠。15世紀，意大利著名設計家和畫家達·芬奇對鳥類觀察分析近20年時間，最終繪制出人力驅動仿鳥撲翼飛行器的設計手稿。

1929年，英國科學家設計出一款依靠人力驅動的仿鳥飛行器。其機翼模仿鳥的翅膀設計，翼展達9米，每只“翅膀”重4.5千克；利用人力揮動來維持滑翔，最遠可以滑翔300米，持續飛翔的性能較弱。

由于技術所限，到20世紀中期以前，仿鳥飛行器只能通過人力驅動，更類似于滑翔機，與鳥類比，飛行效率相對低下。

現代仿鳥類飛行器是在20世紀90年代才開始逐漸發展起來的，其驅動方式已轉變為使用引擎或者電機驅動。1991年，加拿大研究人員首次研制出利用引擎驅動的仿鳥撲翼飛行器，它由一個以甲醇為主要燃料的引擎驅動，最大功率可達1馬力，起飛質量為3.9千克，最快飛行速度可達 15.2米每秒。

其后，各國開始注重提高仿生飛行器的空中飛行效率。2004年，美國特拉華大學的研究人員研制出名為“麻雀”的撲翼飛行器。該飛行器外形模仿小型雀類，通過扇動“翅膀”達到向前飛行的目的。其翼展約為15厘米，持續飛行時間為1分鐘。在這款飛行器的基礎上，特拉華大學的研究團隊研制出了“蜂鳥”系列撲翼飛行器。該系列飛行器是將蜂鳥的形狀等比例放大，將翼展增加至48厘米。不過，其外形依然十分輕巧，重量只有50克。由于“蜂鳥”系列撲翼飛行器的“翅膀”不僅可以上下撲動，而且可以改變俯仰角度，飛行的靈活性得到了極大提升。

為了提高仿鳥飛行器的飛行能力，令它們更接近所模仿的鳥類，人類在飛行器的形態和結構設計上展開了深入研究。2010年，德國費斯托公司以海鷗為原型，研制出仿鳥撲翼飛行器“智能鳥”。“智能鳥”的出現將仿鳥飛行器的研制提升到了一個新的高度，它的翼展達到2米，全身采用碳纖維材料骨架制成，重量只有450克。飛行器表面加上白色蒙皮以后，形態與海鷗極為相似，在空中飛翔時甚至引來一群真正的鳥類伴飛。

2012年，美國航宇環境公司研發出了“蜂鳥”超微型飛行器，其翼展為16厘米，質量為10克，最快飛行速度能達到10米每秒，續航時間可達8分鐘。“蜂鳥”仿生飛行器利用了仿生學原理，在飛行過程中的能量轉換、氣動性能和續航能力方面均有極大突破。

2018年，日本早稻田大學研究人員參照歐洲雀鷹設計了一款仿鳥無人機。研究者先是在正常飛行的歐洲雀鷹的正下方進行拍攝，由此獲得了清晰的歐洲雀鷹輪廓邊緣照片，并據此邊緣設計了飛行器的機翼和尾翼輪廓，在該基礎上加以優化，確定了合適的翼形截面，最終獲得了良好的三維氣動外形。

2019年，我國科學家按照悉尼銀鷗的外形，設計了一款混合驅動的仿生無人機。該無人機既可以像普通撲翼飛行器那樣通過撲動翅膀來飛行，又可以通過安裝在腹部的四個可伸縮旋翼的運轉懸停于空中，其機首處還安裝有一套可伸縮螺旋槳系統，進一步拓展了驅動的方式，為人們對仿鳥飛行器的設計提供了一種新的思路。

仿魚飛行器

魚兒能夠在水中快速地游動，流線型的外形賦予了它們優良的流體力學性能。良好的外形在水中能夠起到減阻的作用，運用到飛行器上，同樣可以達到空中減阻的效果。

飛魚是一種能在海面上連續滑翔的魚類。它雖然沒有鳥類那樣靈活有力的翅膀，但是“飛行”起來毫不遜色，較強壯的飛魚一次可以滑翔180米，連續滑翔的時間可達43秒，滑翔距離可以遠至400米，堪稱大自然的奇觀。因此，仿生飛魚飛行器近些年備受人們關注。

1988年，美國賓州西徹斯特大學研究人員針對33種199只飛魚樣本開展了基于形態學的空氣動力學研究。研究人員系統地探究了飛魚的翼面積、翼展、翼載荷、長寬比與其體形之間的關系，并基于飛魚胸鰭和腹鰭的形狀和位置開展了機翼設計，最后將設計出的機翼的飛行性能與其他滑翔機和撲翼機進行對比，得出了在高速飛行條件下，基于飛魚形態設計的機翼具有較高升阻比，空氣動力學表現與鳥類滑翔時相類似的結論，為后續基于飛魚的仿生設計提供了理論和數據支撐。

2011年，美國麻省理工學院的研究團隊研制出一款仿生飛魚兩棲飛行器。這是世界上第一款有實驗數據支撐的仿生飛魚飛行器。該飛行器既可以在水里游動，又可以從水中躍入空中滑翔。其翼展達0.32米，身長0.25米，重約145克，密度與水接近，因此，它在水中游動時幾乎可懸浮在水里。通過對真飛魚的形態模仿，這款仿生飛魚兩棲飛行器成功克服了推進功率不足的限制，最快以5米每秒的速度沖出水面，完成跨介質的飛行。

2013年，美國斯坦福大學的研究人員發布了一款以飛魚為模板設計的無人機，其翼展為70厘米，身長30厘米，重約30克。它可以通過一個壓緊的彈簧彈射起飛，在距離地面1米高處能夠獲得4米每秒的水平速度，最遠可滑翔5米，其滑翔性能在同時期不依靠動力維持推進的仿生飛魚飛行器中是最好的。

2019年，浙江大學的鄧見團隊依照飛魚的氣動外形，設計了一款仿生飛魚跨水氣介質的無人平臺，其機身長25厘米，排水量為0.19千克。研究團隊采用計算流體力學的手段，探究了仿生飛魚飛行器在水下潛行、水面滑跑和加速起飛整個過程的動力學特性，驗證了該氣動形態的仿生飛魚飛行器依靠尾鰭擺動助跑起飛的可行性。

除了以飛魚為仿生飛行器設計的原型之外，研究者對其他魚類也開展了仿生學設計。例如，瑞士的聰明魚（Smartfish）公司以金槍魚為原型，設計出仿金槍魚飛機。國內也有學者依據旗魚外形，設計了仿旗魚傾轉旋翼飛行器；依據飛魚外形，設計了仿飛魚可旋轉組合式機翼飛行器等。

其他仿形飛行器

自然界中，除了鳥類和魚類有著良好的氣動性能之外，億萬生物中仍然有很多種類在經歷了漫長歲月的自然選擇后，進化出優良的氣動外形，值得人們開展仿生學研究。這些物種包括種類繁多的昆蟲、蝙蝠、水母，等等。其中，最受人們關注的是基于昆蟲的仿生飛行器。

自然界中大約有100萬種已知昆蟲，這些昆蟲中有許多種類能夠靈活地在空中飛行，它們體形較小，卻在微小尺度上具備驚人的氣動特性，為飛行器的仿生設計提供了豐富的素材庫。

2013年，哈佛大學研究人員以雙翅目蜂蠅為原型，研制了一種微型仿昆蟲撲翼飛行器。其總重僅為80毫克，雙翅翼展為3厘米，可以提供超過1.3牛的升力，左右兩翅的驅動機構功率為19毫瓦。受到電池技術的限制，這種微型仿昆蟲撲翼飛行器只能通過尾部連接細導線來獲取電力。2017年，該課題組再接再厲，對微小結構加以優化，令飛行器可以利用水的張力降落在水面上，并能通過引燃電解水產生的氫氣和氧氣獲得推力，進而達到從水面起飛的目的。

此外，近年來，世界各地還零星出現了仿生蜻蜓飛行器、仿生蝴蝶飛行器等報道。這些均是以昆蟲作為仿生對象的仿形飛行器范例。

蝙蝠作為飛行能力優秀的生物，也是很多仿生飛行器的模仿對象。1998年，美國加利福尼亞理工學院和航宇環境公司共同研發出“微蝙蝠”，其總重量為12.5克，翼展為15厘米，能夠在空中持續飛行42秒。翅膀采用的還是電池驅動，可以攜帶微型攝像機、音響傳感器和信號傳輸裝置。

另外，水母作為一種海洋生物，經歷數億年的繁衍，對能量的利用效率已經達到相當高的水平，同時也具備低雷諾數（雷諾數是一種可用來表征流體流動情況的無量綱數）下優良的氣動外形。依據這種特性，很多飛行器特別是浮空飛行器，也以水母為仿生原型。例如，2014年，紐約大學的研究團隊依據水母的外形，設計了一款浮空撲翼飛行器。它可以通過分布在四周的四個撲翼在空中緩緩移動，能量利用效率非常高。中國人民解放軍國防科技大學的楊躍能模仿僧帽水母，優化了一種平流層飛艇的氣動外形，將其升阻比提高60%以上。

除了以單種生物為原型進行仿生飛行器設計之外，也有研究者以多種生物為模板，分別取其氣動性能優異的外形部分結合在一起，設計出新的仿生飛行器。例如，吉林大學學者分別選取翠鳥的頭部和龍虱的身體為形態仿生對象，并將它們結合在一起，設計出一款跨介質航行器，為減小飛行器阻力提供了新的設計方案。

同濟大學的仿生飛魚無人機

2019年6月，同濟大學沈海軍教授團隊研制出了一架仿生飛魚無人機，并成功試飛。

為了獲得飛魚的氣動外形，課題組特地在海南購買了四條鮮活的飛魚。在飛魚原始模型構建過程中，他們先將飛魚的胸鰭和腹鰭拿牙簽固定，放入冰箱冷凍室凍結，撤去牙簽后，飛魚的形態得以保持。

之后，經過測量，研制團隊準確獲得了飛魚的翼展、身長等幾何參數，并采用非接觸式光學雙目立體掃描儀，獲得飛魚原始模型的點云數據；接著，通過Imageware軟件，構建出飛魚模型的外形曲面，進而用逆向設計的方法，獲得飛魚的外形模型。

有了飛魚外形模型，在大型工作站上利用計算流體力學軟件對飛魚進行了理論模擬與分析，團隊最終獲得了仿生飛魚無人機的表面壓力、流場、壓力場以及升力、阻力、升阻比和穩定性曲線等一系列氣動性能數據。計算數據顯示，仿生飛魚無人機的氣動性能十分優異，其機翼、機身上表面流速較快，可形成低壓區，為“飛魚”提供充裕的升力。

接下來，是仿生飛魚無人機的結構設計與制作。

在仿生飛魚無人機結構設計中，飛魚的胸鰭被設計成主機翼，用于提供升力；后機身上方和末端分別仿飛魚的背鰭和尾鰭，充當無人機的垂直安定面和全動方向舵，用于保證航向穩定性和航向運動；前下方設置有“臀鰭”，作為水平安定面，用以維持俯仰穩定。其中，在左右主機翼上各包含了3個墻和9個翼肋，尾緣設計有副翼，用來控制橫滾運動；機翼在前機身左右兩側通過碳纖維管對接。在機頭部位預留了電機安裝支架，可用于安裝大馬力電機和螺旋槳。

為了制作仿生飛魚無人機，團隊人員先將CAD三維模型各部件投影成二維工程圖，獲得激光切割的零件加工圖紙。再經過激光切割，得到激光切割飛機模型零件。研制團隊再經過零件組裝、膠水固定、鋪設蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動力裝置與控制系統等工序，一架仿生飛魚無人機便大功告成。

制作完成的仿生飛魚無人機翼展為1.5米、身長1.8米，后三點起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機和6S鋰電池提供動力。

在上海松山區佘山附近的航空飛行基地，仿生飛魚無人機進行了首次試飛。隨著一聲令下，無人機啟動、滑跑、加速，最終一躍而起。這架無人機在空中的橫側、掉頭均表現得十分靈活。經過兩圈的巡航后，無人機最終安然落地。