基于鳥類低頻飛行原理的仿生海上極限運動載具設計

摘要：為了將鳥類飛行過程中的非定?？諝鈩恿W運用到海上載具，結合廣汽研究院超級玩伴主題要求，對基于鳥類中低頻飛行行為的仿生海上極限運動載具的綜合設計。運用低頻飛行生物運動過程中產生的攻角及變載量，獲得比傳統海上載具更高的動能效率，克服當前海上載具機動性低的缺陷；運用運動想象原理將人類的運動意向與鳥類的行為邏輯進行匹配，能夠省去復雜的操作流程，進一步優化駕駛體驗。得到三維裝配模型。利用鳥類低頻飛行原理，制作1：6尺寸模型進行結構可實現性分析，將鳥類身體構造、羽毛結構、運動方式、能耗利用等方面與船體結構與造型做出結合，提出一種仿鳥船體的運動結構。

關鍵詞：非定?？諝鈩恿W；撲翼結構；運動機制；運動想象駕駛；仿生載具設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）04-0122-05

Abstract：In order to apply the non-constant aerodynamics of the birds’ flight process to the ocean carrier，combined with the requirements of GAC Research Institute，the comprehensive design of a bionic maritime extreme motion carrier based on the low-frequency flight behavior of birds.Using the angle of attack and variable load generated during the movement of low-frequency flying creatures to obtain higher kinetic efficiency than traditional sea vehicles，overcoming the current shortcomings of low maneuverability of sea vehicles；using the principle of motion imagination to match human motion intention with the behavioral logic of birds，it can eliminate the complex operation process and further optimize the driving experience.Obtain a 3D assembly model.Using the principle of low-frequency flight of birds，we make a 1：6 size model for structural realizability analysis，combine the bird body structure，feather structure，movement mode，energy consumption utilization and other aspects with the hull structure and modeling to propose a bird-like hull movement structure.

Keywords：Non-constant aerodynamics；Flutter wing structure；Movement imagination；Sport imagine driving；Bionic carrier design

引言

當萊特兄弟在1903年發明了世界上第一架飛機——飛行者一號時，人類終于能夠在天空中自由翱翔，實現了第一次可操縱的、有動力的連續飛行[1]。然而它們必須依靠螺旋槳或獨立的噴氣發動機來推動機翼和機身前進，相比于理想狀態下的機翼撲動飛行仍有很大距離。鳥類能夠在飛行的過程中依靠柔性且能夠彎折的羽翼及調控羽毛間的間隙。實現瞬間的垂直起降、懸停、側飛甚至后飛退。運用翅膀的揮動承受自身重力，同時施加向下的變載力，獲得向上且前傾的綜合氣動力，為鳥提供升力和向前推力，其具有比傳統載具的定常氣動力理論更高的動能效率。為了將這種高機動性、高靈活性的運動模式帶到海上載具中，本文從低頻飛行鳥類運動過程中獨特身體結構變化及空氣動力學原理出發，以傳統的競速帆船為基礎，進行分析及設計。創新點主要有以下幾個方面：第一，對鳥類撲翼飛行的原理進行分析，結合撲翼機提出了其在海上載具運用中的潛力與可行性；第二，提出仿翅膀二段彎折船身結構、仿羽毛參數化帆面，對傳統船體進行重新設計；第三，經由較為合理的構思，提出運用海洋流體特性與傳統船體運動過程中的空氣動力學部分結合，使其與撲翼機原理形成互補，或可為該領域長久以來的材料、能源和顛簸問題提供新的解決思路；第四，將獨特的人機工程學與操作模式帶到載具設計，提出更加簡單高效的使用體驗概念。

一、仿生學中的自然啟示

（一）生物學覆蓋的生活及生產方式

生物學是研究動物、植物及微生物生命過程的學科，不局限于基礎的了解及馴化，其多個研究領域都跨越了傳統意義上劃分的各個學科的邊界。以仿生學（Bionics）為例，即通過對生物結構、功能的研究，將其移植到設計及工程技術以提供新的思想、原理和解決途徑的技術科學。大多數仿生技術會通過生物或者生理模型抽象出數學模型再運用到其他地方，比如說神經網絡本質上就是一種仿生技術。而對于設計領域來說，仿生設計能夠細分為仿生形態設計、仿生表面肌理與質感設計、仿生結構設計、仿生功能設計和仿生色彩設計幾個主要層面；其相關研究成果在軍事、生物、醫學、能源等領域被廣泛應用，促進相關行業技術的發展。隨著研究的進一步深入，給人們的生活及生產帶來越來越多的影響。生物圈蘊藏了大自然的奧秘，研究人員結合物理等層面的知識體系，結合從生物那兒取得靈感對其進行研究并尋找解決現實生活層面的問題的方法。

（二）仿生設計發展現狀

仿生機械由生命科學和工程技術科學相互滲透而成，主要研究課題以模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械為主。其中鳥類由于擁有特殊的身體構造及飛行功能，飽受研究人員青睞。以這一領域的代表性研究課題撲翼機為例，它能像鳥類一樣滑翔飛行，擁有比旋翼機更長的滯空時間，擁有較大的實用意義。因此，國內外方面均為此傾注了巨大的研發成本，并獲得了相應的研究成果。以美國為主的西方發達國家的科研組織和高校在撲翼機的理論研究方面工作較早，并擁有著先進的試驗裝置和生產工藝，已經研發出了各種不同機型大小的撲翼機，在一定程度上能夠模擬鳥的飛行行為，但仍面臨著在飛機控制系統方面及材料部分的諸多問題。目前，制造的微型撲翼飛行器主要是利用人工調節，無法對自身進行姿態或飛行控制。中國在撲翼飛行器的研發方面起步較晚，從本世紀初才先后有院校和科研機構開展有關研究工作；不過和部分發達國家研究進度比較還是有著不小的差距?？傮w來看，由于人類目前對于攻角和變載量理論的掌握不足，且受到材料強度及能源需求限制，世界范圍內對撲翼飛行器飛行原理的研究基礎都還不能得以建立。

二、鳥類低頻飛行行為解析

（一）鳥類翅膀和羽毛的特殊構造

翅膀是鳥類身體構造中最為特殊的部分，是飛行過程中最為主要的動能來源。如圖1所示，其骨骼和肌肉所占的比例很小，不僅輕薄而且擁有更大的柔性，整體由羽毛覆蓋，優點在于其面積大、易收攏、可再生和防水等，要明顯優于其他動物及昆蟲的飛行構造，同時各個區域的羽毛在飛行時承擔不同的功能。

其中主羽（初級飛羽）既圖1紅色部分，其覆于指骨肌肉的最外側，在指骨和肌肉的推動下，擁有很大的活動自由度，在飛行過程中能夠作為最主要的氣動力來源，甚至最外側的一些羽毛還能實現獨立翻轉[3]。

（三）鳥類撲翼運動方式與氣動力淺析

正如上文所述，鳥類飛行過程不僅氣動效率高，且靈活度也得以保障，這主要得益于它們的柔性且能夠變形的翅膀，在俯沖狀態下鳥類合理地收起翅膀，而在著陸瞬間打開，同時將部分羽毛翻轉，減小其中的間隙，增大翅膀面積的同時將阻力提到最大，使得空氣對翅膀產生非常大的托舉力，當該托舉力大過重力時就可以離開地面?？茖W家們把它歸類為非定常氣動力學，這種可變性所帶來的效率遠遠優于定常氣動理論。

體形較大鳥類通常翼展較長，受個體肢體力量限制，只能采用低頻率撲翼與滑翔相結合的飛行模式，基本是在垂直于前進方向上的二維平面的運動，即使其不揮動翅膀，也能產生向上的升力，該狀態下翅膀側視形狀如同后端下垂的水滴形，由于空氣在上方的流速高，導致上方的壓力變小，從而產生向上的升力。與之相比撲翼最明顯區別則是通過扇動翅膀，根據不同的翼型角度和撲動頻率獲得不恒定的升力和推力。當翅膀下揮時，除了承受自身重力，還為之施加一個向下的變載力，此時獲得一個向上且前傾的綜合氣動力，為鳥提供升力和向前推力。

三、鳥類低頻飛行原理介入于海上載具設計

若要發掘鳥類通過羽毛調整的變載量對海上機具產生的關鍵性作用，首先必然要確保鳥類撲翼運動過程以及帆船運動過程中的機理以及流體性質有一定相似之處，否則無法類比進行分析以及功能性結合。

撲翼及帆船嚴謹地講都是空氣中的三維非定常運動，其所擾動的流場具有相當復雜性的非定常、外流場領域。與此同時，二者也都具有內邊界問題，即由于翅膀的撲動或帆的擺動，內部邊界狀況不斷改變，都屬于大幅度移動邊界或接觸面上的問題，因此，李冬提出運用判定鳥類飛行和帆板搖帆這兩種流體運動是否具備相似性的主要依據之一雷諾數（Re）[4-5]。并如表1計算得出了兩者之間的雷諾數在一個量級區間內。從而能夠判定搖帆運動與鳥類撲翼運動周圍的流體性質較為接近，具有設計參考價值。

（一）通過羽毛調整升力于海上機具的運用

載具帆部呈現彎曲形態且彎度能夠改變，存在與鳥類羽翼共同的拱度，俗稱“帆弧”。帆面采用參數化設計，主要參考上文所描述的鳥類初級飛羽，由多個不等邊六邊形帆片規則排列組合而成，其中每一片都可以互不造成沖突地自由翻轉，具有獨立運動能力，并以此改變翻面風槽的形態（如圖2）。這一做法主要優點在于：（1）以控制行駛方向及姿態并提供一定升力；實現高運動自由度。前端布置規則且面積較小的六邊形以提高氣動面的靈活性和操控性，后端布置狹長且面積較大的六邊形以增大升阻比，減少能耗。（2）在逆風環境下通過整體鱗片的同一角度控制制造與來風的角度，進而高效地分解風力，產生垂直于翻面的分力來推動載具前進。（3）該設計如圖2通過對六邊形帆片的排列調整進行柔性變形以改變帆面風槽及上下受風面的形狀，達到對翻面上下氣體流速的調節。替代傳統的帆翼結構進行控制，使其不會遇到無法保持帆形和帆面不受力（Luffing）的問題。

（二）彎折翅膀于海上機具的運用

許多撲翼研究將前緣渦作為撲翼推力的主要原因，即前緣附著渦所提供的渦升力，其作用包含在定常氣動的升阻特性曲線之中，會對后面翼型表面的壓力分布產生影響，從而控制前緣的渦可以達到控制翼型壓力分布從而控制升力。典型的升力特性為隨攻角持續增大，升力系數也不斷上升，直至其達到最大值。

若在升力系數達到最大值后依然加大攻角，則升力系數便會迅速下降。并伴隨阻力的突然增大，所以這個點也被稱作為失速點。一般而言，駕駛者對帆船的帆板展開操作，目的就是使帆的攻角保持在于較大的升力系數范圍內，且避免失速現象發生。如此則可將載具主體部分進行二段式分割，如圖3，將載具兩部分通過可伸縮及旋轉的力臂進行連接，給予前端更高的自由度，有利于載具高速行駛過程中分解迎風；同時配合前部翼型的角度調節結構，兩端共同承擔攻角的調整工作，必要時可發揮更高的折疊及翻轉效率。

與此同時，設計載具前端翼型，使其迎角在迅速變化的過程中，前緣產生一個強前緣渦，直至脫落，從而能夠使得迎角快速變化的機翼產生一個瞬間增大的升力。且若迎角增大得足夠快，對應翼型的升力將會迅速增大。此升力增益在海上極限運動載具起步前期起著尤為關鍵的作用。

（三）滑翔過程氣流特征對海上機具穩定升力的運用

不同體量的飛行生物對于如何穩定自身飛行狀態的做法有著天壤之別，例如果蠅能夠進行“超高頻拍擊”，依托于產生的前緣渦流支持自身繼續上升，盡管渦流附在翅翼上的時間很短，但由于拍擊頻率極高，一個渦流能夠在上一個渦流消失的同時產生，從而達到延遲失速的效果[6]。盡管受材料及技術限制，該載具設計的體量無法進行超高頻撲翼，像昆蟲那般維持升力條件，但大體量載具同樣有無可比擬的優勢，也就是地面效應（Ground effect）。一旦船體達到了脫離水面所需要的升力條件。那么載具前半部分便可以回正。這時可以獲得朝向船體下方的弧面。將其配合內置的迎風轉向器將行駛過程中所受的風轉為斜向下的作用力。結合寬大船體的底部面積，可使得其在船體底部形成一層高氣壓墊達成地面效應。以獲得更加穩定的升力及速度條件。如此便可放寬對載具體積及重量的限制并以此降低對材料的要求。

（四）運動想象操控載具技術研究

文章[7]提出了融合運動想象腦電和眼電信號的機械臂控制系統，并實現提取、分類和機械臂控制等功能。通過對藥瓶進行抓取、服用和回收3個階段的分析實驗，驗證了其系統對腦電信號識別準確率最高達到90%以上。結合文章[8]所提到應用于機器人的協同導航，證實了該技術能夠實現對于機械的高精準度及協調性操作，且該控制系統在不使用任何肢體的情況下實現自主操作，若使用于載具則可實現駕駛者的更高自由度及獨特操作體驗，即在運動過程中提取駕駛證操作意向，采集穩定的可測量信號，進行相關的提取和分類，進一步結合仿生機械的鳥類結構并完成行為的匹配轉換（圖4），則可使得駕駛如同生物本能一般微妙且獨特。

而由于該載具的用途主要體現于運動娛樂，為避免用戶的恐懼心理，頭盔在整體設計過程中應首先考慮安全方便的無損腦機接口技術，該技術相比于有損腦機有更為悠久的研究歷史，不足之處在于易受眼電信號干擾，導致其分辨率較低[9]；這也是選擇兩種信號共同操作系統的原因，且眼電采集部分通過獨立的面罩完成。

設計細節方面涉及與對應肢體運動所激活的大腦相關區域，即可通過大腦來抑制周邊的皮層活動。而如圖下部所示，在該載具所對應的運動過程中，最為重要的通過下部肢體調控運動重心，以控制速度和平衡；而腿部相關的運動區域匹配頭頂位置[10]，則頭盔應在此處添加信號采集模塊，以保障高精準性。

四、海上載具設計實踐

（一）體量結構工藝構思

1.載具體量設置。自然界中不論是生物還是非生物，其飛行速度、重量、體積之間都必然存在聯系，并且這也直接決定該物適合的飛行模式。Tennekes揭示了飛行生物和人造飛行器體重、翼載與飛行速度之間的內在聯系[11]。從其中信息可得：伴隨飛行速度和質量的增加，撲翼的頻率會逐步減小，自身體重小的鳥類及昆蟲撲翼頻率相對較高，直至大型人造飛行載具撲動頻率逐漸減小，甚至采用固定翼，而該設計作為單人小型運動載具，主要采用模式為低頻撲翼，且由于船體在水上運動過程中與鳥類在空中飛行過程中的流體性質相似，該數據可用作有效參考。

綜上，由于載具整體質量與大型固定翼載具差值較大，可適當提高載具質量，在優化材料強度的同時，也能夠有利于地面效應的維持與穩定。最終確定載具主體部分尺寸（不含前翼長度及水翼高度）：總長約615cm，總高度約290cm，其中底座長約435cm，高約75cm。注：帆面為可調控結構，將直接影響載具高度。

2.載具結構設置。鳥類飛行的每一時刻翼面的姿態和氣動力都有所不同。在關節運動和肌肉收縮的作用下，可以實現內翼面的整體運動，有利于升力的產生。而在載具中的對應機構運動表現為根據載具形式方向相對迎風速度的不同，需要通過上文所述的前端及翼型的角度調整及翻轉，使得不同位置處的翼型都可以有合適的迎角，進而設置載具的攻角在合適范圍內，并避免達到失速點；同時，對迎風的分解和轉為能源應用也需要達到一定支持。載具為適應低頻飛行鳥類飛行行為需要擁有更高的相似性，而幾何相似是流動相似的最基本條件[12]，兩個幾何相似物體的對應線長度應當成比例[13]。既：

由此得出該載具的站姿比例如圖5所示。

（二）優化效果展示

仿生學的基礎具有生物性、自然性的特征，需要對事物進行基本的了解和把握[14]，其作為啟示，并不能代替設計師主觀能動性。在仿生載具設計過程中，雖有對結構相似的高度要求，但不能夠簡單模仿，而是通過比擬，即將原始特征和基本原理通過抽象化的思維提取并表現。結合該載具的極限運動功能屬性，最終選取鳥類中的鷹屬為參照意向，針對其鎖定目標時的起勢狀態進行提取并轉為載具姿態，該種鳥類通常巨大且兇猛，氣勢磅礴，在契合運動感的同時，也能夠傳遞積極正面的態度。最終得出載具結構及外飾效果如圖6。

該設計作為仿生載具的同時，其極限運動的用途屬性也尤為重要，而極限運動有著必然無法脫離趣味這一屬性，需要具備能夠引起人們興趣的特性，在現代產品設計中主要體現在產品自身的外觀結構、人機工程學以及交互過程等方面，產生相應的產品附加值。得出載具功能樹如圖7。

（三）展示生物特征的CMF定義

CMF設計的重點在于色彩和日光的相互作用，帆面在紫外線較弱環境下相對透明，呈現類似于水晶玻璃的材質，紫外線較強時則轉為深且不透明的顏色，在保障駕駛者視野的同時，也提高了太陽能吸收的效率，靈活的帆片調整需要其具備優異的物理機械性能，搭配翻轉調控集成在里面，工藝上對其精密拋光，使其表面圓潤光滑，運用AF真空鍍膜避免海上鹽漬的污染覆蓋，具備耐腐蝕等功能性效果。帆面色彩如圖8選取羽毛較為艷麗的鳥類，通過對其形態的抽象化提取，將仿羽毛的鱗片部分基于grasshopper參數化規則排列在充滿翼翅肌肉感線條的帆面上，呈現相似過渡形式的色彩，在保留生物有機感的同時，也不失運動的色彩情緒。

結構部分同樣更多選用能夠產生情感關聯的顏色，以槍灰色為主，增加未來感的圖案及紋理效果，飽和度較低，給人一種沉穩而不失動態的感受，使其產生類似于戰斗機的視覺呈現。運用人先天的，對事物極致功能外化所展現的形態美的敏銳嗅覺，達到審美的共鳴。

載具踏板部分材料以鋁合金為主，該材料有著輕量化、性價比高、易加工等優勢，廣泛應用在汽車等交通工具產業，可應對載具復雜的形體曲面加工。

關鍵結構件的材料以純鈦材料及鈦合金為主。其強度較高，且具極佳耐腐蝕性，在海洋環境中起關鍵性作用。

結論

基于鳥類低頻飛行行為，對海上載具的形態結構進行重新設計，運用仿生學原理探尋低頻飛行鳥類的特性，并保留其部分結構特征；分析了撲翼原理在飛行載具中的運用，并完成其到海上載具的轉換，結合腦電及眼電信號技術中的運動想象，優化了仿生目標的可實現性，并進一步拓寬設計的應用領域，體現了其在未來生活方式、跨空間載具仿生中的潛力。但是，對撲翼載具中的空氣動力學參數并沒有做出系統且全面的統計和分析，與此同時，船帆的柔性變形效果以及產生的展向氣流變化也在本文中進行著重考量。由于受到試驗器材缺乏和樣機生產費用過高的影響，只能較多采用仿鳥撲翼機器人作為研究對象，機構并未展示出全面的功能，導致應用原理并沒有得到完全闡述，但是將非定常氣體動力學應用于海上極限運動載具所表現的動能效率優勢與無與倫比的操控性或能引發許多極限運動愛好者展開更加深入的探索及迭代，進而影響人們的生活方式乃至社會精神。而對于海洋載具來說，其攻角的調控不僅能提供升力，同時也能夠提供與龍骨合力同方向的回正力，結合水流對載具水翼的作用力，或可大幅降低載具的顛簸情況，跨介質分析應用可為相關領域提出新的研發思路。

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