蝴蝶飞行机理及仿蝴蝶扑翼飞行器研究进展综述

摘要

仿生扑翼飞行器具有高机动性、高隐蔽性以及高效率等突出优势，在军事侦查、探险搜救等领域具有较好的应用前景，而其应用的基础是对生物飞行机理的深入探究.随着先进运动观测和实验技术的引入，对昆虫飞行行为的记录和分析更为便捷和准确.研究表明常见的昆虫拍打频率较高，在25～400 Hz之间，而蝴蝶较为特殊，其扑打频率较低，大约为10 Hz，对于蝴蝶的许多独特的飞行技能尚缺少足够的认识.蝴蝶前翼和后翼的翼面积都较大，身体同侧的前后翼几乎为同步拍打，且扑打幅度较大，甚至接近180°.蝴蝶飞行中身体有较大幅度的上下和俯仰震荡，翼和身体运动高度耦合.即便如此，蝴蝶仍具有敏捷的飞行能力，可以达到点对点的飞行目标，甚至上千公里的长途迁徙，是优秀的仿生学研究对象.因此，蝴蝶启发的仿生扑翼飞行器也得到了全世界研究人员的关注.蝴蝶的飞行机制相对于其他昆虫更加特殊，飞行行为和气动特性更为复杂，这使得仿蝴蝶扑翼飞行器的研制更加困难.目前对于仿蝴蝶飞行器的研制大多数对蝴蝶翼–身耦合的机理进行了简化，很少能实现受控的稳定飞行.最后，本文梳理了真实蝴蝶的飞行行为特点和飞行机理，指出了仿蝴蝶扑翼飞行器研制的关键技术，总结了该类飞行器未来的发展方向和应用前景.

关键词

蝴蝶飞行机理 / 仿生机器人 / 扑翼飞行器 / 气动特性 / 翼–身耦合 / 飞行控制

基金资助

国家自然科学基金资助项目（52205299）; 中国博士后科学基金面上资助项目（2022M710304）