仿生学仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技

昆虫与仿生

彩万志

（中国农业大学昆虫学系）

仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。

全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。

昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。

(1) 昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。

(2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。

(3) 昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。

(4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。

(5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。

此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。

一、虫型飞机的概念

昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。

人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903 年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。

虫形飞机是一类特殊的微型飞行器，它不是简单的普通飞机的微型化，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、多型电机虫等。按照虫形飞机的权威，美国佐治亚技术研究所Robert Michelson博士等的定义，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。

本文中的虫形飞机是指体积像昆虫一样大小的飞行器，也就是广义的虫形飞机。

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首次提出的。1992年，美国国防部国防高级研究计划属就开始进行这方面的论证工作，并把它们的尺寸规定在15厘米以下，重量10~100克，有效载荷1~18 克，巡航速度30~60千米/小时，续航时间20~60 分钟，航程大于10千米，最高飞行高度可达150米。这种飞行器具有导航及通信能力，可用手掷或飞机操纵，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，能一次性或多次性使用。近年来，这方面的研究取得了可喜的成果。2000年7月，美国专利局还为Michelson所发明的多型电机虫注册了专利，这意味着虫形飞机将从实验阶段进入商业化阶段。

二、虫形飞机的用途

虫形飞机具有自主飞行、携带任务载荷执行特定任务、通信及传输信息等基本特征。由于微型飞行器具有体积小、重量轻、隐蔽性好、功能强、携带方便等特点，在军事和民用领域，都具有十分诱人的应用前景。

在军事方面，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”到，也可能会误认为是一只普通的昆虫。甚至这种飞行器飞入房间、停在墙上也不会引起人们的注意。所以，虫形飞机能完成一些大型武器所不能完成的任务，如用于街道密集、高楼耸立的城市作战时，对特定目标进行监视、监听和跟踪；像一只蜜蜂钻到敌方的指挥部、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；在倒塌的建筑中寻找幸存者或侦查藏匿在深山中的恐怖分子的动向；也可用于清扫战场、检测有毒化学物品；还可以携带高能炸药引爆弹药库，炸毁坦克、大炮、飞机，甚至飞入设在地下的敌方指挥部，炸死那些正在地图前指挥作战的将领们。这一切都令敌方防不胜防。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，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、航空摄影等工作。比如，监视和消灭害虫或为农作物授粉、跟踪野生动物群、巡逻牧场、监控道路交通、在高耸的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。不仅如此，虫形飞机在医学上的用途更大。负责研制机器蝇的Fearing博士，曾设想用苍蝇大的虫形机器人进行人体腔内手术；当然也可直接从经口或鼻孔进入胃中，就像《西游记》中的孙悟空变成蝇子进入铁扇公主肚子里那样。有的科学家甚至建议，将虫形飞机“派往”龙卷风中心，了解龙卷风的成风机制。如果上述设想都能实现的话，那么，虫形飞机将给科学研究和人们的生活带来多么大的方便。

三、虫形飞机的类型

近年来，各国的研究者们设计出多种虫形飞机，根据其结构和飞行原理，大致分为4类。

1.无翼虫形飞机智能控制的无翼虫形飞机是近年来颇受重视的方向，美国、法国、日本等均有人在研究。

2. 固定翼虫形飞机从传统的固定翼虫形飞机演变而来，在目前众多的设计模型中尚占有一定比例。如美国AeroVironment公司的Black Widow、Sanders公司的MicroStar 等。后者曾被美军用于阿富汗战场，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，侦察前方5 千米的情况。

3. 旋翼虫形飞机从传统的直升飞机演变而来。主要以美国Lutronix 公司的Kolibri、