扑翼飞行器，是否值得研究？哪些值得去研究？有哪些生物界的启发？

如题。

扑翼飞行器，不严谨的说，就是仿自然界飞行的鸟类、昆虫等飞行机理的小飞行器。通常将转动转化成平动，给扑翼提供升力，克服重力飞行。

 

小型飞行器，最常见的是四旋翼，也已经量产商业化，很多公司蓬勃发展。

扑翼，在淘宝搜索，可以看到价格从十几块到几百的色彩斑斓的扑翼机，标签多为儿童玩具。

 

回到我们的问题上来，扑翼是否值得研究？

我们先来看扑翼的优势，再来说困难之处。

 

大多数文献会这样开头，1：扑翼机飞行效率更高、2：噪声小、3：更灵活:、4：具有伪装性。遗憾的是，这些文献对此并不展开讨论，似乎默许这些是事实。

我们来逐一分析。

第4点：伪装性，应用场景是侦查领域，取决于外观设计，不谈。

第3点：更灵活。这似乎是一个难以量化的指标，从鸟和昆虫的飞行方式，我们确实有这种感觉，鸟和昆虫就是比四旋翼灵活，可以迅速更改方向，在大风中保持平稳。固定翼和旋翼由于它的可控性，其空气动力学研究相当成熟，但扑翼机目前还未有学界统一的空气动力学理论，动物翅膀的运动十分复杂，我们对此还不是非常了解，肌肉、骨骼和羽毛都极大的影响飞行，然而这些结构既不能当做刚性物体处理，也不能当做弹性物体处理，几乎无法进行科学意义上的力学建模。如果不能对研究对象的模型进行定义，那研究就无从量化展开，只能靠感觉来评估。

第2点：噪声小，四旋翼的声音很大，扑翼的声音似乎没有那么大，由于没有具体的分贝数据，不好比较，然而扑翼机的声音绝非像小鸟一样，事实上，由于机械机构摩擦、翅膀材料和鸟类的差异，扑翼机声音要比鸟类大一些。

第1点：飞行效率更高。效率显然是要进行比对的，公平的方式，是给等质量的扑翼机和旋翼机装上同等容量的蓄电池，在同一环境下，看看哪个飞的直线距离更远。这一点上，生物界遥遥领先，体重113克的北极燕鸥每年沿着“Z”字形路线，在格陵兰岛和南极洲之间迁徙。在这个过程中，飞行数万公里。在1973年，有一只黑白兀鹫在11000米的高空上被飞机引擎吸入。先不去追踪数据真假，我们在自然界看到的大雁迁徙，动辄数千公里，显然还没有哪一种小型飞行器可以达到这样的飞行距离。

 

 

目前来看，扑翼的问题有：动力学建模困难、应用场景不明确、控制复杂。

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关于扑翼飞行器，我们关心哪些？

 

什么样的结构，更易编程控制飞行姿态？飞行更易节省能量？飞行更稳定？更容易悬停？

 

下面是荷兰代尔夫特理工大学制作的最新款扑翼机，2018年登上了science封面。

 

从自由度的角度看：

这个扑翼机有四个执行单元：

左右两个电机1、2提供扑翼动力，中间的执行器3改变翼面夹角，左右扑翼末端用和中间轴垂直的杆子连接，执行器4可改变杆子的角度。

其余为控制电路，电池。

结构倒是清晰，但是部件需要自己制作。另外，由于这款扑翼机只比手掌大一点，重量29g，

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观察鸟飞行动作，得出的一些结论

 

1 鸟会尽可能快的向下扇动翅膀，但是为了产生升力，翅膀向下扇动时会有更大的表面积，因此向下推动空气时会产生阻力。当翅膀上升时，翅膀中的骨骼会以各种旋转的方式去减少表面积以提升翅膀的移动速度。

 

2 在挥动翅膀过程中，翅膀上升时，从翅根到翅尖依次抬起。翅膀向下挥动时，翅根和翅尖保持平直伸开。这里的慢镜头视频展示了这一点。

 

3 自然界的鸟，可以非常平稳地贴地飞行，如果留心观察草坪上的各类鸟，它们经常贴地飞行短距离，寻找下一个有虫子的地方。这起码印证了，鸟的重心此时是稳定在一个高度的。

 

4 昆虫的翅膀和鸟类差异很大，越是体型小的昆虫，越是具备多对翅膀。而鸟类只有一对翅膀。

 

5 对于极轻的昆虫来说，比如叶子上的蚜虫，尺寸小于1mm，它们的飞行，更像是在空气中“游泳”。