孫霽宇，閆永為

（吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

1 引 言

微型飛行器（Micro Air Vehicle，MAV）的概念是由美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）在1992 年的未來軍事研討會(huì)上首次提出的。其質(zhì)量小、體積小、機(jī)動(dòng)靈活，具有實(shí)時(shí)成像和導(dǎo)航通信的功能以及便于攜帶、偽裝性好、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢，可用于軍事偵察監(jiān)視、對(duì)敵摧毀打擊、目標(biāo)搜索探測、邊境巡航和監(jiān)控等領(lǐng)域，具有十分廣闊的應(yīng)用前景［1］。隨著先進(jìn)制造技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)理論和昆蟲飛行機(jī)理等理論和技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其結(jié)構(gòu)輕量化、尺寸微型化和動(dòng)力高效化的發(fā)展提出了更高的要求。按照飛行特點(diǎn)不同，MAV可以分為固定翼、旋翼和撲翼三類，但在尺寸微型化、體積輕量化和飛行智能化的發(fā)展趨勢下，撲翼微型飛行器（Flapping Wings MAV，F(xiàn)WMAV）愈發(fā)受到廣泛關(guān)注［2］。

與固定翼和旋翼MAV 相比，F(xiàn)WMAV 可將升降運(yùn)動(dòng)、懸停運(yùn)動(dòng)以及前飛運(yùn)動(dòng)集成于一個(gè)撲翼運(yùn)動(dòng)操控系統(tǒng)，從而僅靠翅翼撲動(dòng)完成各種飛行動(dòng)作，即雙翼性能直接決定了FWMAV 的飛行特性。目前FWMAV 還存在著非定常運(yùn)動(dòng)機(jī)理、翼弦向和展向的彎扭變形、開裂式翼尖以及鋸齒狀后緣等問題尚未解決［3-4］。不同于固定翼和旋翼MAV 的剛性機(jī)翼，大多數(shù)FWMAV 的機(jī)翼是柔性的，其機(jī)翼既能柔性變形以適應(yīng)雙翼撲動(dòng)產(chǎn)生的低雷諾數(shù)下“非定常運(yùn)動(dòng)”的氣流變化［5］，又能保持一定的剛度以適應(yīng)流場變化并產(chǎn)生高升力［6］，還能在復(fù)雜流場的集成運(yùn)動(dòng)下保持較好的飛行穩(wěn)定性，降低機(jī)翼撲動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊［7］，這就要求FWMAV 的雙翼既具有優(yōu)異的撲動(dòng)力學(xué)性能，又具有良好的抗振性能。

為了減小FWMAV 的尺寸以提升其便攜性，可基于甲蟲可折疊后翅設(shè)計(jì)仿生可折疊翼。進(jìn)行飛行運(yùn)動(dòng)時(shí)，甲蟲的可折疊后翅在適應(yīng)復(fù)雜的流場變化作用的同時(shí)，既能產(chǎn)生較高的升力，又能保持良好的飛行穩(wěn)定性；結(jié)束飛行運(yùn)動(dòng)時(shí)，甲蟲后翅又能靈活地折疊收入鞘翅之下，便于其在狹小的空間中進(jìn)行遷移。目前，針對(duì)甲蟲的仿生學(xué)研究主要集中在甲蟲鞘翅及后翅的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)對(duì)其飛行特性的影響、飛行方式及其空氣動(dòng)力學(xué)特性、可折疊后翅的飛行機(jī)制及其在可折疊FWMAV 上的仿生設(shè)計(jì)等方面［8］。針對(duì)FWMAV 機(jī)翼在低雷諾數(shù)下復(fù)雜流場中的撲動(dòng)力學(xué)性能，本論文以甲蟲可折疊后翅為入手點(diǎn)，綜述其后翅結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及可折疊柔性翼的研究現(xiàn)狀，為FWMAV的研制提供仿生學(xué)參考，并探尋仿生可折疊翼的發(fā)展方向。

2 甲蟲后翅結(jié)構(gòu)及材料力學(xué)性能

甲蟲是鞘翅目昆蟲的統(tǒng)稱，屬于有翅亞綱、完全變態(tài)發(fā)育類，身體外部是堅(jiān)硬的角質(zhì)層外殼，共有兩對(duì)翅、六對(duì)足。其前翅（又稱鞘翅）呈拱形、硬而厚，能夠很好地保護(hù)膜質(zhì)后翅，并在飛行時(shí)提供額外升力。其后翅可折疊、薄而富有彈性，由翅脈和翅膜組成。

2.1 甲蟲后翅形貌特征

遷飛性甲蟲由于生活環(huán)境、飛行能力以及體型大小的不同，其后翅的形貌特征（如后翅尺寸大小、折疊比、翅脈生長分布等［9］）亦具有顯著差異。如圖1 所示，亞洲瓢蟲及十星瓢蟲的后翅翅脈分布特點(diǎn)相近，前緣脈經(jīng)過折疊點(diǎn)后發(fā)生了退化，后翅臀緣不再有翅脈生長，整個(gè)可折疊的后翅臀區(qū)僅有一根臀脈支撐。不同于亞洲瓢蟲和十星瓢蟲的后翅，銅綠麗金龜和雙叉犀金龜后翅中的翅脈數(shù)量變少，但是翅脈更加粗壯，后翅可折疊的臀區(qū)生長有更多的臀脈，前緣脈經(jīng)過折疊點(diǎn)后仍然繼續(xù)生長延伸。星天牛和桑天牛后翅中的翅脈數(shù)量介于瓢蟲和金龜之間，其前緣脈越過折疊點(diǎn)后亦不再繼續(xù)生長，但在可折疊的臀區(qū)生長有兩根分支翅脈。甲蟲的翅脈分為縱向翅脈和橫向翅脈兩種，其中縱向翅脈多為粗壯的凸脈和凹脈的間隔分布，橫向翅脈多為縱向翅脈分生而成［8］。

甲蟲后翅的折疊/展開機(jī)制各不相同，不同種類甲蟲后翅具有不同的折疊線，部分甲蟲后翅折疊過程是先重疊后再折疊，而多數(shù)甲蟲后翅折疊過程中不重疊［11］。甲蟲后翅的折疊方式主要有單結(jié)點(diǎn)式、多結(jié)點(diǎn)式和扇形等［12］。

如圖2（a）和圖2（b）所示，通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，甲蟲后翅的翅膜上下表面，皆分布有剛毛，其尺寸相似、方向相反［13］。結(jié)合高速攝像機(jī)下捕捉的甲蟲后翅展開機(jī)制，表明腹部表面和后翅翅膜上的剛毛具有一定的自鎖性，有助于后翅折攏于鞘翅之下［14］。此外，甲蟲后翅及腹部的剛毛還具有保護(hù)體內(nèi)水分、抑制體液蒸發(fā)、減緩?fù)獠看碳さ茸饔茫?5］。如圖2（a）和圖2（c）所示，甲蟲后翅前緣脈上存在褶皺結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在甲蟲飛行及其后翅的折疊/展開過程中起著積極的作用并有助于后翅的彎曲，同時(shí)亦具有抗風(fēng)和減阻的特性，但在大多數(shù)其他不折疊翅的飛行昆蟲中卻沒有發(fā)現(xiàn)這種特殊的褶皺結(jié)構(gòu)［16-17］。

圖2 甲蟲后翅微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of the beetle’s hindwing

由后翅翅脈組織切片（圖3）發(fā)現(xiàn)，甲蟲后翅的一部分翅脈是中空的，里面有神經(jīng)和體液等組織。這些組織一方面對(duì)翅脈的剛度有所影響，另一方面能夠在甲蟲后翅折疊/展開時(shí)起到液壓推動(dòng)作用，此外其還對(duì)控制后翅進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)變形有所幫助［18-19］。甲蟲后翅被動(dòng)變形和控制（包括展開、撲動(dòng)、飛行自適應(yīng)、折疊和互鎖）是通過多因素協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的，如肌肉、翅脈、后翅折疊方式、節(jié)肢彈性蛋白和剛毛（存在于后翅表面和鞘翅內(nèi)表面）等［20］。

圖3 甲蟲后翅組織結(jié)構(gòu)Fig.3 Tissue structure of the beetle’s hindwing

2.2 甲蟲后翅體液

通過倒置熒光顯微鏡測試發(fā)現(xiàn)，在瓢蟲腹部注射熒光標(biāo)記液后，其后翅的前緣脈中出現(xiàn)了綠色熒光（圖4（a）），表明瓢蟲的前緣脈中具有體液，并且該體液由腹部流向后翅［21］。同樣在眼底顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過熒光標(biāo)記的金龜后翅，也出現(xiàn)了綠色熒光（圖4（c）），金龜?shù)母共?后翅亦具有體液的流動(dòng)［18］。值得注意的是，瓢蟲和金龜后翅的體液并不是充滿每根翅脈，只在較粗壯的翅脈（通常為前緣脈）和各翅脈的根部才有。前緣脈中的體液只流動(dòng)到折疊點(diǎn)附近，之后體液便不再繼續(xù)流動(dòng)，表明體液有助于后翅克服“自鎖”結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開運(yùn)動(dòng)［22］。在翅脈體液的液壓作用和彎曲關(guān)節(jié)的節(jié)肢彈性蛋白（圖4（b））彈性恢復(fù)機(jī)制的共同作用下，甲蟲后翅能夠完成折疊/伸展的動(dòng)作［23］。

甲蟲在伸展后翅以準(zhǔn)備飛行的過程中，其腹部的體液逐漸運(yùn)動(dòng)至翅基和翅脈中，這一過程使得翅脈中體液的壓力發(fā)生了變化，并出現(xiàn)兩個(gè)峰值（圖4（d））。第一個(gè)最大峰值對(duì)應(yīng)后翅展開的開始，峰值壓力最大值在6.07～9.29 Pa 之間變化，釋放液壓的總時(shí)間比展開后翅所需的時(shí)間要長，壓力與翅膀的長度和身體的質(zhì)量成正比，有助于其后翅進(jìn)行展開［18］。體液只流過前緣脈，結(jié)束于邊緣關(guān)節(jié)，然后轉(zhuǎn)向徑脈和中脈，結(jié)束于橫向褶皺。

2.3 甲蟲后翅材料力學(xué)性能

甲蟲后翅的翅膜薄而富有彈性、翅脈剛性韌性兼具，翅膜和翅脈出色的力學(xué)性能使得后翅在氣動(dòng)力、慣性力和彈性力的作用下，可以發(fā)生柔性扭轉(zhuǎn)變形并產(chǎn)生高升力及特殊的非定常渦旋［24］。目前描述甲蟲后翅力學(xué)性能的參數(shù)主要為彈性模量和硬度，其中以彈性模量為主，而彈性模量通常使用微型拉伸測試儀或納米力學(xué)測試系統(tǒng)來測定。由于甲蟲后翅薄而小，小型拉伸測試儀難以分別對(duì)翅膜和翅脈進(jìn)行測定，故多采用納米力學(xué)測試系統(tǒng)來獲得其彈性模量。

甲蟲后翅的納米力學(xué)性能與其后翅的飛行機(jī)理相對(duì)應(yīng)。由于翅脈是后翅最主要的承載結(jié)構(gòu)，而翅膜是后翅最主要的形變結(jié)構(gòu)，翅膜和翅脈的彈性模量和硬度值存在一定的差異性［25］。如圖5（a）所示，同一根翅脈的不同位置具有各異的彈性模量值，導(dǎo)致其形變能力具有一定差異性；如圖5（b）所示，不同翅脈的彈性模量存在一定的差異性，其在后翅中的承載和變形作用亦不同，因而具有不同的彈性形變能力。

研究者對(duì)瓢蟲、金龜和天牛三種遷飛性甲蟲的后翅進(jìn)行納米力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)：三種甲蟲前緣脈上的彈性模量和硬度值都是從翅基向外逐漸增長的趨勢，其中瓢蟲后翅的彈性模量和硬度值在三種甲蟲中最小，天牛后翅的最大。可能的原因就是星天牛后翅更長更寬，其翅脈厚度在三種甲蟲中也是最大的，在飛行過程中受到的力也是最大的，后翅需要更大的彈性模量和硬度值來抵抗較大的力，以防止后翅發(fā)生破壞［10，16，25］。

3 甲蟲后翅力學(xué)性能

3.1 甲蟲后翅結(jié)構(gòu)力學(xué)和模態(tài)力學(xué)性能

甲蟲后翅中，一部分粗壯的翅脈為空心結(jié)構(gòu)，里面有體液和神經(jīng)等組織。另一部分細(xì)小的翅脈為實(shí)心結(jié)構(gòu)［16］。在此基礎(chǔ)上，分別建立了三種甲蟲后翅模型，將翅脈設(shè)置為空心、實(shí)心、空心+體液三種結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析（圖6（a））和模態(tài)特性分析［23］。甲蟲后翅翅脈中的體液，若在飛行過程中假定為靜態(tài)，則其在彎曲和扭轉(zhuǎn)變形中無附加作用［26］。體液對(duì)后翅動(dòng)態(tài)特性具有較大影響，若可調(diào)控體液的流量和分布，將有助于設(shè)計(jì)新型微飛行器。從降低后翅質(zhì)量的角度來講，充滿體液的翅脈將具有更好的機(jī)械性能和飛行特性。

考慮甲蟲后翅模型的質(zhì)量和剛度分布，建立其各向異性結(jié)構(gòu)模型；并根據(jù)測量數(shù)據(jù)，建立了由翅膜和錐形脈組成的仿生翼，其中錐形脈的截面為中空?qǐng)A形（圖6（b））［27］。對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)特性分析后發(fā)現(xiàn)，不同頻率下后翅的變形，有利于氣流向下流動(dòng)并產(chǎn)生較大的升力［28］。由甲蟲后翅納米力學(xué)特性可知，后翅中相同翅脈的不同位置具有不同的彈性模量，在此基礎(chǔ)上建立了“三段分布式”的甲蟲后翅模型（圖6（c））。其前緣脈由具有不同彈性模量值的翅脈段組成，將其與正常組分別在相同條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)模擬（圖6（c）），對(duì)照分析后表明，“三段分布式”的模型其總體形變量和應(yīng)力值都要比正常的模型?。?6］。

3.2 甲蟲后翅氣動(dòng)力學(xué)性能

甲蟲后翅飛行時(shí)的撲翼動(dòng)作通常在撲翼平面（Stroke Plane）內(nèi)進(jìn)行，撲翼運(yùn)動(dòng)主要由平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分組成，一個(gè)拍動(dòng)周期可分為下?lián)洹⒀鲂?、上揮和俯旋4 個(gè)階段［29］。甲蟲后翅在撲動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生彈性變形，導(dǎo)致后翅扭轉(zhuǎn)和彎曲——這兩個(gè)重要特征會(huì)影響后翅產(chǎn)生氣動(dòng)力的效率。甲蟲主要依靠其后翅的“∞”型撲動(dòng)方式進(jìn)行飛行，并通過靈活變換攻角來調(diào)整后翅姿態(tài)以獲得更優(yōu)的氣動(dòng)特性，柔性后翅的扭轉(zhuǎn)能夠使得其在上撲時(shí)也能提供部分飛行升力［30］。

此外，如延遲失速、旋轉(zhuǎn)循環(huán)、翻轉(zhuǎn)效應(yīng)、尾流捕獲以及翼翼互動(dòng)等運(yùn)動(dòng)機(jī)制，亦被作為撲翼飛行高升力的產(chǎn)生原因進(jìn)行了探討［31-33］。與其他飛行動(dòng)物不同的是，甲蟲的鞘翅也能在飛行過程中產(chǎn)生渦旋，提供一部分補(bǔ)償動(dòng)力［34］。

甲蟲后翅在向下?lián)鋭?dòng)時(shí)并不是一種平面結(jié)構(gòu)而是一種弧形結(jié)構(gòu)，其翅尖、翅面以及翅基呈現(xiàn)“)”反拱形的狀態(tài)，這種狀態(tài)能夠使得后翅在獲得升力的同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和韌性［35-36］。在剛性翼與柔性翼的對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，昆蟲翅翼的被動(dòng)變形可減弱其在尾流作用中的不利因素，從而增大升力，當(dāng)翅翼存在一定的展向與弦向變形時(shí)，可顯著提升推力［37］。

采用三臺(tái)高速攝像機(jī)（圖7（a））觀察甲蟲的剛性鞘翅和柔性后翅的三維運(yùn)動(dòng)軌跡（圖7（b））及變形（圖7（c）），并使用線性變換算法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)后翅的柔韌性對(duì)升程運(yùn)動(dòng)（出行程平面）的影響最為顯著［38］。相對(duì)于撲翼角和迎角，偏航角沿翼展的局部變化更為明顯。甲蟲在飛行時(shí)其后翅的運(yùn)動(dòng)（圖8（a））主要分為四個(gè)行程，分別為后翅加速下?lián)鋭?dòng)行程、后翅向上扭轉(zhuǎn)行程，后翅加速上撲行程以及后翅向下扭轉(zhuǎn)行程。后翅在進(jìn)行加速撲動(dòng)和減速扭轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)對(duì)周圍的流場造成擾動(dòng)，使得周圍流場對(duì)后翅產(chǎn)生一個(gè)垂直于后翅平面的反作用力，又被稱為“虛質(zhì)量”［39］。

圖7 甲蟲后翅運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Movement trajectory of the hindwing

圖8 甲蟲后翅撲動(dòng)過程及升力機(jī)制Fig.8 Hind wing flapping process and lift mechanism

在甲蟲后翅向下?lián)鋭?dòng)的行程中，氣動(dòng)渦流首先接觸后翅的前緣（圖8（b）i），然后左右兩個(gè)后翅逐漸合攏（圖8（b）ii）。相反的環(huán)流使得尾緣渦流脫落的現(xiàn)象大大減少，有利于撲翼飛行（圖8（b）iii）。與此同時(shí)，當(dāng)左右后翅逐漸靠近時(shí)，兩翅間的空氣流體將被噴射出來，這可為甲蟲飛行提供額外的升力。當(dāng)甲蟲后翅進(jìn)入扭轉(zhuǎn)行程時(shí)，左右兩翅的前緣會(huì)分開，但后緣保持靜止。這種運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致一個(gè)低壓區(qū)域產(chǎn)生，周圍的氣流將涌入該區(qū)域，幫助形成環(huán)流和渦流進(jìn)而繼續(xù)提供升力（圖8（b）iv～vi）［40-41］。

4 FWMAV可折疊機(jī)翼

4.1 FWMAV可折疊機(jī)翼靜力特性

在低速飛行中，甲蟲后翅會(huì)發(fā)生彈性弦向變形，特別是在接近后緣端的部分，從而形成相當(dāng)大的扭轉(zhuǎn)和正拱度［42］。與大多數(shù)飛行動(dòng)物不同的是，甲蟲的后翅會(huì)在弦向和展向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，在上撲和下?lián)鋾r(shí)都能產(chǎn)生升力，其后翅既承受扭矩又承受彎矩。

甲蟲后翅的主要承載方式分為作用于后翅面的均布載荷、作用于后翅整體的彎矩載荷以及作用于一部分翅面的扭矩載荷等。甲蟲相較于其他飛行動(dòng)物最大的區(qū)別在于其后翅可折疊，以甲蟲后翅為原型設(shè)計(jì)的仿生翼，其折疊方式有展向分段折疊（圖9（a）i）、部分后翅向內(nèi)旋轉(zhuǎn)折疊、沿翅脈骨架收縮折疊（圖9（b）i～ii）［43-45］等。由于材料成型、控制技術(shù)以及制造技術(shù)等限制，制造出來的仿生翼與生物本身差距較大，目前常用于仿生翼的分析方式主要有結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、模態(tài)力學(xué)分析以及數(shù)值模擬分析等［46-48］。

圖9 FWMAV機(jī)翼結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和模態(tài)力學(xué)特性Fig.9 Structural and mode mechanical properties of flapping wing

如圖9（a）所示，經(jīng)過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析以后發(fā)現(xiàn)，以展向分段折疊作為仿生翼的折疊方式時(shí)折痕處的應(yīng)力最為集中，折疊部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較為薄弱的環(huán)節(jié)應(yīng)采用強(qiáng)度更高的材料以提高此處的抗破壞能力。如圖9（b）iii 所示，經(jīng)過模態(tài)力學(xué)特性分析后發(fā)現(xiàn)，以沿翅脈骨架收縮折疊的方式作為仿生翼折疊方式時(shí)，該仿生翼的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)與普通翼模態(tài)一致，可根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定性指導(dǎo)撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)［43］。如圖10 所示，對(duì)仿生翼沿翅脈骨架收縮折疊的過程進(jìn)行仿真分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在折疊過程中其應(yīng)力-應(yīng)變分布均勻，翼膜未被撕裂，連桿未穿透翼膜，翼根與四桿機(jī)構(gòu)連接的翼膜上出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，這是因?yàn)閮蓚€(gè)連桿的剪刀式運(yùn)動(dòng)和四個(gè)連桿的相對(duì)旋轉(zhuǎn)都拉伸了翼膜［43］。

圖10 FWMAV折疊過程有效應(yīng)力分布圖Fig.10 Effective stress distribution of flapping wing during folding process

4.2 FWMAV可折疊機(jī)翼氣動(dòng)特性

在低雷諾數(shù)飛行的情況下，由于不利的粘性效應(yīng)的增加，旋翼和固定翼在懸停飛行中產(chǎn)生升力的效率降低，而FWMAV 使用的往復(fù)式扭轉(zhuǎn)撲動(dòng)機(jī)翼，能夠利用非定常空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制增加升力［49］。撲翼的柔性靈活機(jī)制可以有效地減小高頻拍翼運(yùn)動(dòng)帶來的慣性力［50］。對(duì)柔性機(jī)翼進(jìn)行參數(shù)化研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)翼變形可以使微飛行器承擔(dān)更少的俯仰運(yùn)動(dòng)，從而降低機(jī)械功率，提高飛行效率［51］。柔性撲翼的扭轉(zhuǎn)，可以彌補(bǔ)前飛過程中因撲動(dòng)導(dǎo)致的跨向攻角的增大［52］。研究表明，機(jī)翼的靈活性提高了飛行器的負(fù)載能力［53］。平移階段的延遲停滯，提高了尾流捕獲效果和飛行效率［54］。

翼面俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)其氣動(dòng)性能影響很大，研究發(fā)現(xiàn)，在固定俯仰幅值的情況下，較多的下沖程時(shí)間和較高的機(jī)翼轉(zhuǎn)速均有利于FWMAV 獲得高升力［55］。在俯仰運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)攻角達(dá)到90°時(shí)，機(jī)翼的拱度改善了其上的流動(dòng)粘附力、增加了其升力，并在動(dòng)態(tài)失速和行程逆轉(zhuǎn)期間延遲了氣流分離［56］。昆蟲在懸停飛行過程中，翅膀與尾跡之間的相互作用是不可避免的，但減小仿生翼的展弦比可以增強(qiáng)沖程反轉(zhuǎn)時(shí)的翼尾跡相互作用（圖11）［57］。

圖11 仿生撲翼及其氣動(dòng)特性Fig.11 Bionic flapping wing and its aerodynamic

圖12 仿雙叉犀金龜后翅減振可折疊FWMAV[58]Fig.12 FWMAV of foldable wing with vibration damping imitation the hindwing of A. Dichotoma[58]

圖13 仿銅綠麗金龜后翅可折疊FWMAV[59]Fig.13 FWMAV flapping wing biomimetic the hindwing of A.C. Motschulsky[59]

4.3 仿甲蟲后翅的可折疊機(jī)翼具體應(yīng)用

Hoang 等發(fā)現(xiàn)，雙叉犀金龜（Trypoxylus dichotomus）后翅具有類似折紙的褶皺結(jié)構(gòu)（圖 12（a）～（c）），可以在飛行中后翅碰撞時(shí)起到重要的減振作用。當(dāng)后翅與物體相撞時(shí)，它會(huì)沿著褶皺折疊，并在一次次撞擊中彈回原位，碰撞因此被抑制，幫助甲蟲迅速恢復(fù)飛行。進(jìn)而研究者們?cè)谝粋€(gè)撲翼機(jī)器人的機(jī)翼上實(shí)現(xiàn)了這種機(jī)制，從而使FWMAV 在碰撞后能夠安全飛行（圖 12（d）～（f）），該成果被認(rèn)為在解決FWMAV 機(jī)翼碰撞等問題上有著重大的借鑒意義［58］。該FWMAV 質(zhì)量17.8 g，撲動(dòng)頻率可達(dá)26 Hz，可以實(shí)現(xiàn)無尾翼多自由度飛行。

由Dufour 等設(shè)計(jì)的基于折紙理論的仿生可折疊FWMAV（圖 13），其設(shè)計(jì)靈感來源于銅綠麗金龜后翅?；?Haas 建立的 Four-creases knots 折紙理論，結(jié)合了銅綠麗金龜后翅的折疊方式以及折疊痕跡，建立了飛行器的可折疊后翅。該機(jī)翼可通過一個(gè)簡單的操作在半秒鐘內(nèi)折疊或展開，通過理論設(shè)計(jì)與加工制造證明了在FWMAV 上實(shí)施折紙翼的可行性［59］。該FWMAV 質(zhì)量26 g，折疊比為1.74，飛行速度可達(dá)5 m/s。

根據(jù)Zhang 等的研究［60］，甲蟲后翅存在“水力機(jī)制”：基于甲蟲后翼折疊/展開機(jī)理和液壓驅(qū)動(dòng)原理，后翅是在液壓和彈性機(jī)制的綜合作用下完成展開動(dòng)作的，在鞘翅和胸肌的聯(lián)合作用下完成折疊動(dòng)作。根據(jù)此原理采用了一套由液壓系統(tǒng)和彈性系統(tǒng)組成的可以實(shí)現(xiàn)折疊/展開的后翅機(jī)構(gòu)。該方案設(shè)計(jì)的機(jī)翼在展開過程中的水力機(jī)制和形態(tài)變化為完成折疊機(jī)翼的項(xiàng)目設(shè)計(jì)創(chuàng)造了可能。在研究了機(jī)翼液壓系統(tǒng)內(nèi)部壓力與折展角和溫度變化的關(guān)系后，發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中的壓力隨著溫度的升高而增大，從理論上證明了液壓驅(qū)動(dòng)可折疊翼設(shè)計(jì)的可行性。

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量僅為247 mg 的硬幣大小的壓電驅(qū)動(dòng)微型飛行器。它具有四個(gè)對(duì)稱分布的仿生柔性機(jī)翼，采用薄膜印刷電路、圖形激光和層壓工藝進(jìn)行平面設(shè)計(jì)和整體制造，并采用形狀記憶聚合物（SMP）進(jìn)行自組裝。機(jī)翼在柔性電路加熱下收縮，從而實(shí)現(xiàn)鉸鏈的自折疊和FWMAV 從二維形狀到三維形狀的自組裝。柔性四桿機(jī)構(gòu)將鋯鈦酸鉛（PZT）的輕微振動(dòng)轉(zhuǎn)化為柔性翼的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生升力。結(jié)果表明，該樣機(jī)可以自組裝到設(shè)計(jì)位置，并在280 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)及134 Hz 共振頻率下實(shí)現(xiàn)23.5°往復(fù)角折疊。

5 結(jié)束語

本文對(duì)將甲蟲后翅的研究應(yīng)用于FWMAV 仿生可折疊翼研制的前沿交叉領(lǐng)域進(jìn)行了綜合評(píng)述，在分析甲蟲后翅結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及可折疊柔性翼的研究現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)：

（1）甲蟲后翅翅脈的排列分布具有的褶皺結(jié)構(gòu)以及體液的流動(dòng)，對(duì)后翅的承載能力和動(dòng)穩(wěn)定性具有十分重要的影響。后翅的翅脈和翅膜之間，翅脈和翅脈之間，同一翅脈的不同位置之間，其納米力學(xué)材料特性具有各向異性，因而具有不同的承載和彈性形變能力，這將有利于后翅進(jìn)行柔性扭轉(zhuǎn)形變。

（2）柔性翼的被動(dòng)變形被認(rèn)為是甲蟲撲動(dòng)飛行（無尾翼撲動(dòng)飛行）具備高升力的重要原因之一，翅翼的被動(dòng)變形可減弱其在尾流作用中的不利因素，從而增大升力，提高飛行效率。

（3）以甲蟲后翅為原型設(shè)計(jì)的仿生翼具有明顯的尺寸優(yōu)勢。沿翅脈骨架收縮折疊時(shí)，仿生翼的彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)與甲蟲翅翼模態(tài)的一致性較優(yōu)，可根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定性指導(dǎo)撲翼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（4）FWMAV 機(jī)翼設(shè)計(jì)類似后翅的褶皺結(jié)構(gòu)，可以在飛行中后翅碰撞時(shí)起到重要的減振作用。以后翼折疊/展開機(jī)理和液壓驅(qū)動(dòng)原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的機(jī)翼，在展開過程中的水力機(jī)制和形態(tài)變化為完成折疊機(jī)翼的項(xiàng)目設(shè)計(jì)創(chuàng)造了可能。

（5）與雙翅目昆蟲相比，甲蟲第二對(duì)后翅可向內(nèi)旋轉(zhuǎn)折疊，有利于實(shí)現(xiàn)FWMAV 的進(jìn)一步微型化發(fā)展。前一對(duì)后翅進(jìn)化為鞘翅，可以保護(hù)后翅不受損壞，但會(huì)在飛行升力上發(fā)生損耗。

未來以甲蟲后翅為仿生原型，研制適用于FWMAV的可折疊柔性翼，應(yīng)著眼于柔性翼骨架結(jié)構(gòu)和機(jī)翼翼膜材料屬性的各向異性，以期制造出可折疊、易扭轉(zhuǎn)、高彈性的微飛行器機(jī)翼。