鳥類（撲翼飛行器）的飛行原理，目前有多種解釋。以下是一種較為合理的說明：

How to fly upwards

撲翼飛行器上升

當翅膀向下拍動時，由于慣性，翅膀上部的空氣沒有立刻隨翅膀向下流動，因此翅膀上表面的空氣暫時相對較少，甚至出現(xiàn)局部真空。當翅膀下側(cè)壓力與上側(cè)壓力的差值，大于重力時，飛行器將上升。

當翅膀向上拍動時，翅膀發(fā)生折疊，減小了翅膀的受力面積。此時，雖然壓力差向下，并有重力作用，飛行器所受的合力向下。但是同樣由于慣性（牛頓第一定律），飛行器將保持原來向上的速度，不會立刻下降。而很快翅膀又恢復向下拍動，飛行器再次獲得向上的推力。

How to fly forwards

撲翼飛行器前進

當翅膀向下拍動時，翅膀后側(cè)會相對前端滯后一些下降。因此，翅膀發(fā)生扭動。

翅膀下側(cè)和上側(cè)的壓力差不是垂直向上的，其在水平方向的分力將推動飛行器前進；其在垂直方向的分力減去重力后將保持飛行器不下沉。

撲翼飛行器不同于噴氣式飛機，Camellia Café認為伯努利方程不適用于在此解釋撲翼飛行器的飛行原理。

在流體動力學，伯努利方程指出，當無黏性流體的速度增加時，流體的壓強或勢能將減少。

自然界大約有100萬種昆蟲和9000種鳥類，這些飛行生物向人類展示其卓越飛行能力的同時也啟發(fā)著人類研制類似的撲翼飛行器。

在最近20年里，人們已經(jīng)成功研制出一些仿昆蟲型和仿鳥型的撲翼飛行器，如美國哈佛大學的“果蠅”飛行器，德國Festo 公司的“Smart bird”、中國南京航空航天大學的“金鷹”和西北工業(yè)大學的“信鴿”等。

(a) 美國“果蠅” (b) 德國“Smart bird”

(c) 南航“金鷹” (d) 西工大“信鴿”

國內(nèi)外具有代表性的撲翼飛行器

國內(nèi)外各研究團隊已在撲翼飛行飛行器的動力學分析、能源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設計等方面取得了顯著的成就。目前前沿的研究成果有：美國AeroVironment公司的Nano hummingbird蜂鳥機器人、德國Festo公司的SmartBird以及蜻蜓機器人、美國哈佛大學的RoboBees撲翼飛行機器人、美國加州理工學院的蝙蝠機器人以及國內(nèi)北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學的撲翼飛行器等（如圖1所示）。研究人員在理論研究和撲翼飛行器開發(fā)方面的不懈努力，使得撲翼飛行器的廣泛應用成為可能。

國內(nèi)外撲翼飛行器

成為焦點

2017 年2 月1 日，一款名為Bat Bot (B2) 的仿生蝙蝠撲翼機器人登上國際權威期刊《Science Robotics》封面(圖2)，這也標志著仿生撲翼飛行器已然成為國內(nèi)外學者在無人機前沿發(fā)展關注的焦點。

Bat Bot (B2)仿生蝙蝠撲翼機器人

微小型撲翼飛行器是一種全新的飛行器設計結(jié)構(gòu)，因其機械撲動很容易產(chǎn)生疲勞斷裂，目前只適用于微小型飛行器的設計。與前兩種結(jié)構(gòu)微小型飛行器相比，微小型撲翼飛行器因其質(zhì)量輕、體積小、噪音弱、隱蔽性能好等特點，既可以實現(xiàn)如同微小型旋翼飛行器的垂直起降、空中懸停、倒飛、側(cè)飛，還可以像微小型固定翼飛行器那樣實現(xiàn)快速高飛、長距離巡航等，是目前微小型飛行器的研究熱點。

典型代表為美國加州理工學院的“Micro Bat”、美國佛羅里達大學的柔性翼微小型飛行器、美國哈佛大學的“RoboBee”、荷蘭戴夫特技術大學的“DelFly Explorer”等。

微小型撲翼飛行器典型代表：Micro Bat（左上）；柔性翼（右上）；RoboBee（左下）；DelFly Explorer（右下）

國外微小型飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

目前，微小型飛行器主要朝著兩個不同目的的方向發(fā)展，即研究性與實用性。

●研究性微小型飛行器

研究性微小型飛行器主要以大學和科研機構(gòu)為研究力量，仍然追尋DARPA于1996年討論的“15cm尺寸”目標，并研制出各種各樣探索性的微小型飛行器。但目前這些探索性微小型飛行器多數(shù)僅限于飛行表演與技術摸索，攜帶設備載荷的能力很低，甚至不攜帶任務載荷，同時需要人為遙控進行穩(wěn)定飛行。近幾年，已有研究機構(gòu)成功研制出尺寸略大，但具有一定自主飛行控制與導航能力的智能微小型飛行器，如荷蘭代爾夫特技術大學已研制出新型的28cm微小型撲翼飛行器“DelFly Explorer”，并實現(xiàn)自行起飛和室內(nèi)自主避障飛行；美國伊利諾伊大學香檳分校航空機器人與控制實驗室最近也研制出世界上最先進的仿蝙蝠撲翼無人機“Bat Bot”，其內(nèi)部搭載微處理器與6自由度慣性測量單元實現(xiàn)自主飛行；德國FESTO公司也研制出多種仿生微小型撲翼飛行器，包括仿生鳥、仿生蝴蝶與仿生蜻蜓，它們除了能夠?qū)崿F(xiàn)單個飛行器自主飛行外，還能進行自主協(xié)同編隊飛行。

圖4 具備自主飛行能力的微小型撲翼飛行器：DelFly Explorer（左上）；Bat Bot（右上）；FESTO公司的仿生鳥（左下）與仿生蝴蝶（右下）

此外，近幾年仍有一大批高校科研人員努力探索，尋找新的突破口，成功研制出僅蜜蜂與蒼蠅大小的超微型飛行器，如美國加州大學伯克利分校研制出25mm大的微機械飛行昆蟲（Micromechanical Flying Insect）、賓夕法尼亞大學研制出硬幣大小的“Piccolissimo”3D打印超微型旋翼飛行器、哈佛大學研制出30mm大的“RoboBee”仿生蜜蜂機器人，但是目前它們只能無控制地“飛行”一小段距離或懸停很短時間。未來對研究者們的最大挑戰(zhàn)是如何通過集成微處理器和高能量密度輕型電池使得超微型飛行器更加自動化和飛行更長的時間。

圖5 超微型飛行器：微機械飛行昆蟲（左上）；“RoboBee”仿生蜜蜂機器人（右上）；“Piccolissimo”3D打印旋翼飛行器（下）

一般來說，撲翼飛行器的難度與自由度有關，自由度越多，難度越高，這也是仿生撲翼飛行器的制作困難所在。自由度，簡單來講就是定位一個物體所需的參數(shù)，比如空間坐標系中定位一個物體就需x、y、z三個自由度。拿蝙蝠舉個例子吧，大概是40個自由度，如果直接模仿所有的自由度將使得機器蝙蝠復雜地無法起飛。

近日哈佛大學的一個機器人研究團隊研發(fā)出了一種機器蒼蠅。它利用仿生學，模擬了自然界中的鳥類、蝴蝶等這些生物，并可以像它們一樣飛行、棲息。

研究人員們從 3D 折疊立體書那里獲得靈感，給這個微型機器人裝上了翅膀。這不同于微型無人機所采用的多旋翼設計，利用旋翼所產(chǎn)生的推力讓飛行器飛起來。機器蒼蠅的研發(fā)者們給這個微型飛行器裝上了人造肌肉，讓它每秒能拍擊 120 次翅膀來，像動物一樣飛行。

目前這個機器蒼蠅的翼展只有 3 厘米，這讓它成為了最小的能夠飛行的設備。

為了解決微型飛行器存在的電量問題，他們還模仿動物的棲息研發(fā)了靜電吸附技術，讓機器蒼蠅通過棲息來節(jié)省能量。在棲息時的它所消耗的電量據(jù)稱會縮小到飛行時的 1/1000。

《科學》的報道里機器蒼蠅的研究人員稱，這個機器蒼蠅頂部有一個銅電極和泡沫底座組成的靜電貼片，通過利用其產(chǎn)生的正負電荷之間的吸引力，機器蒼蠅可以吸附到任何一個物體上，即使是一片不規(guī)整的葉子。

為了保證這個機器蒼蠅通過它所產(chǎn)生的靜電能吸附到物體上，它的重量只有 86 毫克，比一只真正的蒼蠅還要輕，甚至比一個微型飛行器所要求的標準都要小。

不過目前，它離獨立飛行還差一步。因為在它的機身上還未裝有電源裝置，因此如果要讓它飛起來，還需要用很細的電線將它跟外部電源連接起來才行。

研究人員希望能將足夠小的電池加上去，探索除了機械翼以外微型飛行器新的可能。在未來他們希望，這個機器蒼蠅可以被應用到災難救援領域，協(xié)助搜尋幸存者、或者為登山者提供長距離通信支持等。

在動物界中普遍存在的卻是利用翅膀的撲翼飛行，具有極高的飛行效率和靈活的操控性，從鳥類到昆蟲，甚至遠古的翼龍都擁一雙巨大的翅膀翱翔藍天。今天要為大家?guī)淼木褪且恢幌葯C的撲翼飛行器——BatBot，伊利諾伊大學香檳分校和加州理工的研究人員們從自然界中最復雜的生物蝙蝠出發(fā)，創(chuàng)造出了這只小蝙蝠~~

蝙蝠的翅膀構(gòu)造尤為復雜，由手和具有彈性的皮膚演化成了高效的翅膀。研究表明，蝙蝠的翅膀具有40個自由度十分復雜，這也是蝙蝠仿生機器人的困難所在。

蝙蝠的功能群（functional groups）。圖中列舉了蝙蝠的關節(jié)角度和功能群組；利用這些功能群可以對蝙蝠飛行時四肢的復雜運動進行分類，以及提取主要的DOF并將它們結(jié)合到蝙蝠的飛行動力學中。所選擇的DOF通過一系列的機械約束和虛擬約束進行耦合。

如果直接模仿所有的自由度將使得機器蝙蝠復雜地無法起飛。于是研究人員們將自由度削減至五個，但也使機器蝙蝠保留了蝙蝠57%的飛行動力學性能。自由度分別在肩部、肘部、腕部、腿部和尾部。

它的翼膜采用了硅基碳纖維加強膜，厚度只有56μm輕薄且強度高。通過機械耦合結(jié)構(gòu)，一個直流無刷電機驅(qū)動左右翼同時進行撲翼飛行。而余下自由度的調(diào)整則通過空心杯電機來執(zhí)行。在每一個關節(jié)處還放置了霍爾編碼器以監(jiān)測關節(jié)的運動角度。同時利用IMU來監(jiān)測飛行的姿態(tài)信息。整個機器人的MCU為STM32M4，并通過DSM2接收機和藍牙與地面基站通信。整個機器人翼展47cm重93g，可以達到10Hz的撲翼頻率。

現(xiàn)在這只B2蝙蝠機器人已經(jīng)可以完成翻轉(zhuǎn)和俯仰飛行了，相信不斷的改進過后可以實現(xiàn)更好的運動效果：

無障礙飛行和控制器結(jié)構(gòu)。（A）零路徑（zero-path）直航的快照。（B）俯沖快照。（C）主控制器由獨立控制器C1和變形控制器C2組成。

這只來自哈佛大學的撲翼飛行器十分小巧、和一個硬幣一般大小，但是同時具有飛行器的傳感、執(zhí)行等功能。

下面是三軸姿態(tài)角度示意圖：

它可以像無人機一樣靈活的飛行。

ref：http://micro.seas.harvard.edu/papers/Fuller_ICRA13.pdf

蜻蜓植入芯片變身混合型無人機

從美國麻省理工學院(MIT)獨立而出的德雷珀實驗室(The Charles Stark Draper Laboratory)在蜻蜓中嵌入了一種“光極”(optrode)，這是一種比光纖更小、更靈活的新型光導，可用于實現(xiàn)其DragonflEye混合無人機系統(tǒng)，續(xù)航高達幾個月。以后無人機吃點蟲子，吃點草能無限續(xù)航，想想好激動哦！請加工業(yè)智能化微信號：robotinfo 學習工業(yè)智能化知識

這種光極本身將可用于醫(yī)療與診斷，而在裝載于活蜻蜓時，則可用于偵察、監(jiān)測與載重送貨，以及引導授粉，從而協(xié)助更已耗盡的蜂群。

第一代的背包引導系統(tǒng)包括能量采集、導航，以及按蜻蜓模型的比例進行光學仿真。（來源：Draper）

早在電子時代以前，美國國防部(DoD)就一直試圖將真的昆蟲變成仿生機器人。他們最大的突破是將偵測器植入昆蟲的幼蟲，以便在其變態(tài)成為成熟的成蟲后擁有肉眼無法檢測的內(nèi)建能力。隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的出現(xiàn)，美國國防部大多放棄了真的昆蟲，改用昆蟲般大小的微型無人機。然而，除了天文數(shù)字般的龐大成本以外，最大的問題就在于電池壽命。

而只要有食物、水和陽光，Draper配備監(jiān)控設備的蜻蜓DragonflEye就能維持長達幾個月的壽命。

“DragonflEye系統(tǒng)的獨特之處在于它是專為實現(xiàn)自主性而設計的，它能從環(huán)境能源(如太陽能)進行充電。來自環(huán)境中的高效能量有助于縮小系統(tǒng)，使得蜻蜓不會被龐大的電池拖累。”Draper生物醫(yī)學工程師暨該計劃的首席研究員Jesse Wheeler表示：“為了向蜻蜓發(fā)送轉(zhuǎn)向指令，必須在蜻蜓的神經(jīng)線光線周圍傳送光線——其神經(jīng)線相當于釣魚細線的大小。為此，我們開發(fā)了一種新的光極技術，它非常靈活，而且能夠在急轉(zhuǎn)彎時曲折光線?！?/p>

此外，相較于笨重的人造無人機，真正的蜻蜓動作極其敏捷又迅速，擁有媲美9G大轉(zhuǎn)彎的機動能力。

在迭加至蜻蜓背包系統(tǒng)之前的開發(fā)板與組件特寫（來源：Draper）

Wheeler說：“相較于人造的無人機，昆蟲在升空、保持穩(wěn)定飛行以及儲存從食物而來的補充能源方面更有效率。DragonflEye系統(tǒng)正是利用了這些生物優(yōu)勢，創(chuàng)造出一種比任何人造無人機更小、更輕且更具隱密性的仿生無人機。”Draper并與霍華德休斯醫(yī)學研究所(Howard Hughes Medical Institute；HHMI)合作。

Draper計劃首席研究員解釋DragonflEye仿生機器人的原理 （來源：Draper）

Wheeler說，“開發(fā)DragonflEye計劃的技術為昆蟲(也包括重要的授粉昆蟲，如密蜂)的飛行行為研究提供了新的工具。此外，我們靈活的光極技術將為醫(yī)學研究人員提供利用微型纖維神經(jīng)的全新解決方案，使其得以展開更精確治療疾病的新研究?！?/p>

eMotion蝴蝶仿生飛行機器人

這件eMotion蝴蝶仿生機器人是由德國費斯托公司研發(fā)制造的。該公司制造了大量的，以生物為靈感的飛行機器人，但是這個蝴蝶機器人要比其他的仿生飛行機器人要漂亮。每一個都能獨立操作，通過能夠獨立控制的翼來調(diào)整自己，按照預編程的路線飛行（有興趣的朋友可以找找該公司之前開發(fā)的蜻蜓和小鳥）。

蝴蝶仿生機器人每只 翼展長度是50厘米，重量只有32克。有兩臺電動機獨立的驅(qū)動兩只翅膀，一個IMU，加速計，陀螺儀，指南針，還有兩個90毫安的聚合物電池。

每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可達到2.5m/s,飛行3-4分鐘就得充15分鐘的電。機翼本身使用的是碳纖維骨架，并覆蓋更薄的彈性電容膜。

未來的仿鳥型微型飛行器具有以下特點：氣動性能好(能主動適應和利用不同氣流環(huán)境)、機動性強(可穿越狹小復雜空間)、飛行效率高(低能量消耗獲得長距離飛行)、易于隱身(采用仿生飛行的方式迷惑敵方)等優(yōu)勢，因而可克服微型固定翼及旋翼無人機成本高、能量利用率低、隱身能力弱等缺陷，具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/p>

目前的仿鳥型微型飛行器主要從飛行方式進行仿生，即單純靠撲動翼撲動同時產(chǎn)生升力和推力進行飛行，但氣動效率與鳥類相比仍然有很大差距，此外在傳感、驅(qū)動和控制等方面鳥類飛行機理的研究仍然處于初級階段，所以亟需進一步的深入研究才能使仿鳥型微型飛行器具有像鳥類一樣卓越的飛行能力。本文主要從氣動、結(jié)構(gòu)與飛行穩(wěn)定性等方面進行分析和總結(jié)。

仿鳥型撲翼飛行器和仿昆蟲型撲翼飛行器雖然都屬于撲翼飛行器，但它們的飛行機理卻有著很大區(qū)別。

仿鳥型撲翼飛行器像鳥類一樣以平飛為主要飛行方式，撲動頻率一般在10～20 Hz，升力主要來源于前飛速度產(chǎn)生的升力。而仿昆蟲型撲翼飛行器則與昆蟲類似，其主要飛行狀態(tài)是懸停，撲動頻率為20～600 Hz[7]，它們的升力主要靠撲動翼的純撲動產(chǎn)生。由于其具有很高的撲動頻率，且撲動翼質(zhì)量占總重量的比例較小(小于5%)，所以機體受撲動翼的影響較小，飛行過程中不會產(chǎn)生明顯振動，所以氣動、結(jié)構(gòu)與飛行力學之間的耦合問題不是很突出。相反，仿鳥型撲翼飛行器的低撲動頻率和高撲動翼質(zhì)量占比，使得氣動、結(jié)構(gòu)與飛行力學的耦合關系很強，是設計高效、高性能仿鳥型撲翼飛行器不能忽略的問題。

撲動飛行生物的雷諾數(shù)(定義見式1)、撲動頻率、翅膀重量占比的關系[6]

仿鳥型撲翼飛行器的研制是一個多學科設計過程，目前仍面臨著以下問題：1) 鳥類和仿鳥型撲翼飛行的非定常氣動機理尚不明確；2) 柔性撲動翼結(jié)構(gòu)形式復雜、撲動過程中會產(chǎn)生大幅變形等特點，針對該類氣動結(jié)構(gòu)耦合問題目前缺少既高效又相對準確的計算方法；3) 缺乏高精度、高效的氣動、結(jié)構(gòu)與飛行動力學耦合的計算方法，不能滿足控制律設計和優(yōu)化設計的輸入需求。只有解決好上述各個學科的難點問題和多學科之間的耦合問題，才能設計出像鳥類一樣具有卓越飛行能力的撲翼飛行器。

仿鳥型撲翼飛行器多學科設計過程

法國航空工程師Edwin Van Ruymbeke一直是一個擁有奇思妙想的創(chuàng)造者。

五年前，他創(chuàng)造了可以用手機App控制的遙控仿真鳥，而這一次，他創(chuàng)造了同系列的仿真飛行昆蟲MetaFly。

BionicBird：手機遙控，遛鳥隨心所欲

Bionic Bird是Edwin VanRuymbeke五年前發(fā)起眾籌的一款小型飛行器，擁有逼真的鳥類外形，以及與MetaFly同樣輕便小巧的身體，飛起來的時候，還會吸引到真正的鳥類。

Bionic Bird通體呈黑色，和麻雀差不多大。身長17cm，翅展33cm，重量只有8.85g，仿照鳥類的飛行方式設計而成。全速飛行時，翅膀每秒可扇動18下，雖然不及麻雀的30Hz，但足以支撐起在離地二十幾米的空中飛行。

Bionic Bird采用特殊的泡沫塑料和碳纖維制成，外殼輕盈且堅固，不怕因碰撞產(chǎn)生損傷。

與MetaFly一樣，它可以在室外飛行，也可以在室內(nèi)飛行。

不同的是，Bionic Bird沒有配備遙控器，而是需要用戶下載一個名為The Flying App的官方應用程序。該程序分為虛擬搖桿和重力感應兩種模式，可以用手指控制飛行，也可以傾斜手機來進行方向控制。

不僅控制方式簡單，飛行方式也同樣簡單：只需要打開飛行開關，再將BionicBird丟向空中，它就可以在你的控制下自由飛翔啦。

它的充電方式也特別有趣，官方配備了一個蛋型的無線充電器，只要將飛累了的小鳥放在蛋上即可開始充電。充電12分鐘可以飛行8分鐘，全速飛行只能飛6分鐘，最遠可飛行1.8km。如果是在戶外，這個蛋型充電器能夠儲存十次充電的電量，意味著Bionic Bird一共可在戶外飛行88分鐘，這樣就能夠一次玩?zhèn)€痛快了。

MetaFly：蝴蝶般輕盈的玩具飛行器

MetaFly比起飛行器更像是一只巨型蝴蝶，一對無比顯眼的翅膀彰顯了它的飛行方式。是的，與一般的無人機不同，MetaFly只要像蝴蝶一樣扇一扇翅膀就能夠飛行。

依靠翅膀飛行的昆蟲需要一對寬大的翅膀以及輕盈的身體，MetaFly也同樣具備這兩個特征。它的翼展長度能達到29cm，身長19cm，只有巴掌大小，整體重量還不到10g，因此這雙翅膀才能帶著纖細的身體飛向空中。

光是能飛還不夠，飛行器還必須要有堅韌的身體，以免因飛行中產(chǎn)生的撞擊或氣流而損毀。

MetaFly的翅膀采用了碳纖維、液晶聚合物和定向聚丙烯制成的支架，保證了它的強度和柔韌度，隨意彎折也不會斷裂。

頭部和身體的防撞外殼和柔性腿能夠防止它在降落時或者飛行時撞到物體而損壞，同時，輕巧的機身也保證了其不會對人的身體造成傷害。

被扔到地面上，或者撞到堅硬物體上也很難有損傷。

MetaFly由專用的遙控器進行控制，遙控器設計十分簡單，只有一個方向桿和一個速度桿，最大控制范圍為100米。

MetaFly的飛行速度最高可達18km/h，改變尾翼的角度就可以改變飛行方向。由于小巧的身形和靈活的身姿，MetaFly不僅可以在戶外空曠的場地飛行，

也可以在狹小的室內(nèi)上下翻飛，

甚至還能操控著它穿過樹木細小的枝丫。

只需輕輕向前一拋，MetaFly便會展開翅膀，飛翔起來。

如果不小心撞掉了某個部件，或者被熊孩子拆開了也沒有關系，因為MetaFly的安裝十分簡單便捷，完全可以自行操作。

MetaFly在充滿電的情況下能夠飛行8分鐘，這也許會讓大部分人覺得不夠盡興，但是它只需要12分鐘就能夠充滿電，這種充電速度還是能夠滿足你的游玩需求的。如果是在室外，則只需要購買一個擴展包，用內(nèi)含的充電器和充電線就可以在室外給MetaFly提供足夠的電力了。

目前MetaFly正在進行眾籌，預售價69歐元起，如果你感興趣，可以登錄Kickstarter官網(wǎng)進行了解。下面是MetaFly的宣傳視頻：

不過出人意料的是：MetaFly的設計起源要追溯到上世紀六十年代，Edwin Van Ruymbeke的祖父和父親在當時制作了一只機械飛鳥…飛起來了沒有極果君不知道，但這件事對他的影響無疑是巨大的。

Edwin 在很小的時候，就立志繼承家族傳統(tǒng)，并真的成為了一名航空工程師，并獻身于仿生飛行的研究當中…