仿生学的科学意义与前沿

论文标题:仿生学的科学意义与前沿

智能微型飞行器——从仿生学得到启示

微型飞行器(MAV)是20世纪90年代出现的一种新型飞行器。由于它在军、民两方面均有巨大的应用前景，因此，从一开始就受到人们广泛关注。发展非常迅速，在很短时间内，就研制出一批性能优良的试验样机，大致上分为：固定翼、旋翼和扑翼三种类型，其中最有代表性的是美国Aerovironment公司的“黑寡妇”、Sander公司的“微星”等。在国内，微型飞行器的研制近年来已成为热门话题，大约不少于10几个单位在从事这方面的研究，已先后研制出多种型号，并进行了初步的飞行试验，但距完全自主飞行和满足实用化要求的目标还有相当距离。

对于微型飞行器目前还没有严格的界定，一般认为其主尺度应在15cm左右，以后可能更小，达到毫米量级。对于这样的飞行器，其飞行雷诺数Re非常低，空气粘性效应显著，升阻比显著下降，气动力出现一些与高Re数下显著不同的特性。应用常规飞行器设计方法已不能满足要求，很难保证在实际运行环境下稳定飞行，因此，必须发展新的技术，建立新的研制手段。

自然界许多飞行动物与微型飞行器有相近的几何尺度，它们一般都具有非常良好的飞行性能。以蜻蜓为例，其翅膀的展长大约为8cm，面积大约为0.0015，总质量约为1g，其飞行Re数大约为量级，按照固定翼定常气动理论计算，其升力系数只有0.9左右，而悬停飞行时，所需气动系数应为2.4～3左右，这说明蜻蜓飞行时有其它产生高升力的机制和方法。

目前，已知鸟类和昆虫等飞行动物产生高升力的方法主要有以下几种：利用扑翼、Weis-Fogh扑动、翼的展向和弦向弯／扭变形，非平面串列翼布局以及利用开裂式翼尖或锯齿状后缘等。Weis-Fogh扑动是一种翼面合拢／张开的运动，在两翼打开过程中，前缘会形成一对很强的分离涡，产生很大的升力，试验结果表明，其最大升力系数能够达到5，远超过按定常理论求得的升力系数值。仿生学为人们提供了巨大的探索空间和应用前景，人们开始更加关注生物运动仿生力学的研究，并从中获得许多有益的启示。

微型飞行器尺度小，质量和转动惯量都比较小，抗风能力很差，因此，抗干扰和对复杂飞行环境的适应能力已成为微型飞行器实用化面临的主要问题之一。原则上讲，利用各种增稳、控制技术能实现抗干扰稳定飞行的要求，但对于微型飞行器来说，由于尺寸很小，气动效率非常低，如果像飞机那样，利用舵面偏转提供抗干扰能力，其作用是非常有限的。许多尺度和微型飞行器相近的鸟类或昆虫，能够在强风和复杂环境下悬停或稳定飞行，主要原因是它们的翅膀以及身体可根据外界条件的改变，产生自适应变形。这种能力是目前人们还难以达到的。

在自然界中许多飞行动物其速度之快、机动性之高也是人类所望尘莫及的。一般人的最大运动速度大约是每秒钟3～4倍身体的长度，Mach数等于3的超声速飞机，其速度大约是每秒钟30几倍机身的长度，而一只普通的鸽子常常能以80千米／小时的速度飞行，这个速度大约相当于每秒钟飞过75倍鸽子的体长，欧洲雀鸟(European Starling)则能以每秒钟120体长的速度飞行，而某些雨燕(Swift)的飞行速度则可以达到每秒钟140倍体长。高机动作战飞机其滚动速率(roll rate)大约是每秒钟720度，而仓燕(Barn Swallow)的滚动速率可以超过每秒钟5000度。一般飞机的最大允许过载为4～5g，作战飞机的最大允许过载也不过8～10g，而很多鸟类的飞行过载却经常会达到10～14g（这里g是重力加速度值）。生物体的这种种优异性能与它们能够在飞行过程中充分利用非定常气动力效应和自适应变形能力，始终保持最有利的体位和飞行状态有关。

要采用仿生学方法，模拟鸟类和昆虫的高稳定性和高机动性飞行能力，则必须发展适用于微型飞行器的具有高可靠性、强适应性、高稳定性、强抗干扰能力的智能自主控制理论与方法，提高抗干扰能力和系统的鲁棒性，保持不同飞行条件下的最优状态。当然，这种方法对气动、结构、控制，特别是控制系统元器件的尺寸和重量提出了更高的要求。

减重是研制高性能仿生智能微型飞行器的关键问题。自然界许多飞行生物体材料和结构具有超轻质、高强度、自适应变形等突出性能，如蜻蜓和一些昆虫的翅膀都是由质量非常轻的网状翅脉和薄膜材料构成的。对于这类超轻质生物材料的组成和它们的理化与机械性能，还缺乏足够的了解，使用这类材料的新型结构形式和材料、结构一体化优化设计问题也尚无可资利用的成熟方法，迫切需要对自然界许多飞行生物体的材料、结构和它们适应外界环境进行自适应变形等突出性能作进一步深入细致的观察研究。

能源／动力装置在微型飞行器总质量中占很大比例，约50%左右，因此，如何最大限度减低它们的质量成一个突出问题。许多鸟类有非常出色的长距离飞行能力，如某些按季节迁徙的候鸟，它们可以中途不进食地飞行1000到2000千米的距离，对于这种现象人们尚未了解得很透彻，但至少可以判断它们的能量消耗一定维持在很低的水平上。这方面还有许多值得深入探讨的问题。

生物运动仿生力学研究为智能微型飞行器研制提供了多方面有益的启示和解决关键技术问题的途径，对微型飞行器的实用化发展具有重要意义。生物运动仿生力学学科本身也有许多值得深入研究探索的领域，因此，对它的发展应给予高度重视。