机器苍蝇

发布时间：03年11月28日

编译霍革军周涛

研究人员正采用最先进的技术，开发一种机器苍蝇，它能深入敌后收集情报或者提供监测空气质量及对花进行授粉的服务——

几个世纪以来，我们——直在拍打那些讨厌的小家蝇，它们在我们的餐桌上嗡嗡地飞来飞去。它们的速度和敏捷性让我们惊叹不已。如何解释它们的这些特性，就连科学家也感到困惑。今天，飞行科学家被迫将经过验证的升力和拉力的可靠系数搁置一边，竭力了解昆虫的飞行。他们对昆虫飞行动力学的最新认识正被用在进行监视战场上各种活动的机器人间谍飞机上面。

图为电气工程师隆·费因等人用高速照相机监测机器昆虫飞行的进展情况

苍蝇集小巧和出色的飞行技能于一体，它能盘旋、能吸附在天花板上，甚至能携带和自身重量相当的物体。试图模拟苍蝇的尺寸和性能“有点像天方夜谭"，但是，贝克利加州电气工程师隆 · 费因正领导一个研究小组试图做到这一点。

计划始于1997年，当时美国国防先进研究项目机构（DARPA）和海军研究署（ONR）带着一个共同的目标找到了当时还在贝克利从事动物学研究的米歇尔迪金森和费因，希望他们通过深度研究昆虫飞行来搜集飞行控制的设计方案。迪金森对果蝇的研究引起了联邦政府对昆虫飞行研究的兴趣，目的是把微型飞机的翼展从6英寸缩小至1英寸。

初步研究

费因和迪金森对微机械飞行昆虫（MFI）尤其是对机器苍蝇的追求，在1998年成为了现实。那一年他们收到了DARPA和ONR5年拨款中的第一笔款项，随后两人加入了由机械工程师阿仑 · 马朱达为首的最初阶段的研究。

1991年以来一直从事果蝇研究的迪金森，加快了他的研究步伐。第一年，他的实验室鉴别出昆虫翅膀借以产生空气动力的3种不同的机械原理，每一种都依赖拍打和旋转的微妙协调。与此同时，费因负责研制一种苍蝇尺寸的翅膀驱动装置。

在项目开始之初，传统的空气动力学理论不能解释果蝇扇动翅膀产生的力量。因此，迪金森小组必须改写昆虫飞行的理论。

从迪金森和费因承担开发MFI的重任开始，他们就相信这个任务是可能的，这和大多数航空学专家的观点不一样。乔治亚理工学院“微型苍蝇"项目协调人山姆 · 布兰肯希普说：“你带着这种想法去向技术人员时，他们的第一个反应是建造这么小的飞机并使之有用是做不到的。”

遭遇雷诺数

设计标准飞机用的久经检验的气流理论始于对设计雷诺数的确定，它是——种极小的数字，用来确定翅膀和身体周围的气流性质（雷诺数字随给定物体的尺寸和速度增加）。在雷诺数字低的情况下，空气中的粘性（即固有的粘性）变得越来越重要——这是一种降低翅膀性能和使飞行数学分析复杂化的效应。

比如一种商业飞机可能有超过1亿的雷诺数，而带有近6英寸翼宽的微型飞行器可能在150，000雷诺数左右，这是固定机翼飞机能够飞行的极限值。

而拟议中的微机械飞行昆虫的雷诺数为300，果蝇的雷诺数仅为100。传统的飞机设计如果翼展不到6英寸就不能很好工作，这主要是因为雷诺数低时粘性的不利影响。了解昆虫在雷诺数低的情况下如何工作是一个具有挑战性的问题，但也是一个可能为设计小型机械苍蝇提供重要依据的契机。

因此，迪金森的任务是发展一套飞行新理论，解决苍蝇极为不同的产生升力的效应。这要求绘制由翅膀复杂的前后（也可以是上下）运动产生的气流。为了得到可靠的数据，迪金森把一只果蝇粘在一根绳子上，绳子置于一个小型风洞中。然后，将它的活动和尾迹拍成影片观察苍蝇的翅膀运动。迪金森制造了各种模型来测量、绘制和测试翅膀的力量和气流。这些模型在“机械苍蝇”试验中得到了具体应用——数据证实了一直萦绕在迪金森脑海里的想法。这种机器苍蝇实际上有一组10英寸长的有机玻璃翅膀，仿制的是果蝇的翅膀，每个翅膀由3台电脑调控，它们控制着翅膀的上下、前后和旋转，使它们在矿物油浴器中“飞行”时，能模拟果蝇飞行动力学。附着在翅膀底部的传感器监测翅膀上方承受的力。

统一的理论

迪金森根据他在90年代初对简单模型翅膀的先期研究发展出他所称的“昆虫飞行统一理论”。这些实验表明一种称作延迟失速的机制可能在昆虫飞行中极为关键，在这种机制中，昆虫通过在很高的冲角扇动翅膀而在前缘产生一股强劲的旋涡。随后，英国动物学家查尔斯P · 艾林顿通过观察固定在烟流中的蛾的前端旋涡证实了延迟失速假设。

迪金森对机器苍蝇的研究进一步证实了延迟失速的假设，并确认了两个由转动翅膀获得的附加效应：旋转循环和尾迹俘获。让人吃惊的是，有3种作为协调瞬间流动效应在一起作用，由此产生可以飞行的升力和推力。和传统的空气动力学不同，迪金森的机器苍蝇规模的空气动力学让人了解到昆虫翅膀运动与众不同的图形逻辑和目的。比如，在一次单独的前后冲程循环中，苍蝇的翅膀倾斜成一种非常垂直的角度，这种角度会造成飞机失速。而且，在每次循环路径的上部和底部，翅膀都在旋转。

这些明显的奇怪现象是苍蝇飞行的关键。苍蝇翅膀关节对灵巧性要求很高，但与制造苍蝇尺寸的翅膀关节相比，这项任务相对容易些。最终，由更大的机器苍蝇在矿物油中的试飞捕捉到的数据不得不转化成微机械飞行昆虫模型。因此，一个“很小的”问题浮出水面：如何配置和制造一个非常复杂的苍蝇大小的翅膀关节。

自然界的关节，从机械学上说是完美的，但从运动学上说是很难复制的。比如，苍蝇翅膀的关节和人拇指相似，都能够沿着两轴朝四个方向弯曲。

据迪金森说，“苍蝇的翅膀执行大量奇异而又高级的动作，”而一种只简化弯曲动作的普通铰链必须经过改造，才能制成一|种能进行两方向弯曲的关节。实质上，钢性部件和弯曲关节相连，就可以提供一种从来没有在飞机上做过的动作。这些关节由耐用聚合物制成。

机器苍蝇与果蝇苍蝇翅膀（右）对比图

MFI的身体用不锈钢制成，经激光切割成形，靠人工折叠。“以那样的比例，”费因说：“折叠是一项很精巧的技术。”它提供了身体不同部件之间的柔性连接。

将各类小部件组装成微机械飞行昆虫是一个系统工程，设计人员没有可以仿效的模型。挑战还远不止于此。如果尺寸要求苛刻，重量也受到限制。技术人员的结论是，用小部件包装身体的传统做法不适于对MFI的设计，因为实际上不存在多余空间。费因和迪金森决定将控制、动力、传感器和致动器的功能结合在一起。

“黑寡妇”

由Aero Vironment公司开发的机翼固定的“黑寡妇”是一种最小的经过了全面测试和批准的商用和军用飞机。飞机的子系统是世界上最小最轻的，包括重量2克的照相机、重量2克的对地视频发送器和重量5克的全功能无线电控制系统，该系统还携带着重0.5克的制动器。先进的计算机软件使得黑寡妇的子系统的组合与飞行耐久性的最优化成为可能。

黑寡妇的重量接近50克，飞行速度为30英里/小时，可飞行30分钟，进行2公里内的通信联络。尽管给人留下深刻印象，但黑寡妇仍存在两个缺陷——体积大和不能盘旋。出于军事侦察的目的，不能盘旋严重制约了飞机执行任务的能力。

费因和迪金森的目标是填补这方面的空白，那就是创造一种翅膀扇动和扭动都支持盘旋能力的MFI。他们预计这样的飞行器只有黑寡妇翼展的1/7，重量也比黑寡妇轻。

模仿苍蝇肌肉

在生物有机体中，肌肉扮演着“制动器”的作用，让肢体或者翅膀活动。据研究该项目的材料科学教授桑德说，自然界设计轻巧的制动器向那些模拟它们的人提出了严峻的挑战。桑德把MFI用的飞行制动器描述成将电能变成机械能使翅膀运动的部件。

费因的研究小组没有找到适合制造MFI制动器的材料。“我们必须制造比任何人卖给我们的更小的制动器。”桑德说一个选择是用最新发现的由铌酸铅锌和钛酸铅混合物形成的单晶体制造制动器。这些单晶体具有独特的压电性，可根据电压的变化收缩和扩张。如此奇异的材料能让设计者创造异常小巧且有效的制动器，它们的厚度为1/10毫米、长度5毫米，宽度2毫米。

机器苍蝇的设计者们设计出两种逆向制动器，不仅能扇动翅膀，还能扭动翅膀，以简化盘旋。工程师们制造出能每秒扇动50次以上的翅膀模型。

2003年春，在贝克利还开发出一个名叫Tinvos的大小接近苍蝇的微处理器和一个操作系统。如今，机器苍蝇可以装备控制高级翅膀的“大脑"。

有待解决的问题

“我们能做多小呢？”这仍是个问题。构思超微型零部件，如苍蝇大小侦察机所需要的那些零部件是容易的，但实现则可能很遥远。

正像人的眼睛使他不至绊倒一样，MFI的传感器对其自主飞行至关重要。使之微型化以装人苍蝇尺寸大小的飞机中将是困难的。费因说，视觉和回转仪传感器必须相互吻合。回转仪传感器代替人依靠内耳的平衡功能，帮助机器的飞行控制和方向。设计小组调查了各种仿生视觉传感器以及用金属氧化物制成的半导体图像传感器，但总的进展是缓慢的。

回顾对苍蝇尺寸的侦察飞机的研制工作时，迪金森说：“许多人谈论侦察，机械昆虫是不会携带高清晰度照相机的，因为拍摄画面优质的图像难度很大。”

在实验室研制苍蝇的费因仍然在研究基本原理。“翅膀运动一直是最困难的挑战。”他说：“目前我们在桌面模型上（没有限制重量）获得了每秒150次的翅膀扇动，正试图在0.1克的模型上达到需要的翅膀运动。它的动力在外部，不会有任何电子器件、计算机、电池或者板上电源。因此，实现自由飞行仍然需要多年的时间。”