美國正在一個(gè)不熟悉的地區(qū)作戰(zhàn)，一場(chǎng)戰(zhàn)役即將打響。敵方地面部隊(duì)已駐扎下來，準(zhǔn)備進(jìn)攻我方部隊(duì)，他們距我方部隊(duì)只有3.2公里。但是，敵人并不知道在他們頭頂上飛行的、配有微型攝像機(jī)的機(jī)械昆蟲正在監(jiān)視著他們的一舉一動(dòng)。這些微型機(jī)械飛行物稱為微型飛行器（MAV），它們可以嗡嗡地在敵軍陣地的上空盤旋而幾乎不會(huì)被下面的敵軍注意到。很少會(huì)有人會(huì)注意這些只有一角硬幣大小的飛行機(jī)器人。

美國國防部正在投入數(shù)百萬美元研制這些微型飛行器。有了它們，士兵在執(zhí)行偵察任務(wù)期間便可以有效地保護(hù)自己免受傷害。如今，戰(zhàn)斗期間的情報(bào)搜集工作通常會(huì)使小股士兵或者大的飛機(jī)處于危險(xiǎn)境地。而衛(wèi)星圖像信息又不能被地面士兵即時(shí)獲取。

喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）/Stanley Leary供圖 機(jī)械昆蟲，比如喬治亞理工學(xué)院-（Georgia Institute of Technology）研制的Entomopter，可以讓我們以前所未有的方式來觀察世界。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署（DARPA）正在為幾個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提供資金，希望研制出長度、寬度和高度都不超過15厘米的微型飛行器。這些微型飛行器將比迄今為止開發(fā)的任何無人駕駛飛行器（UAV）都要小一個(gè)量級(jí)。其中一類微型飛行器的設(shè)計(jì)模仿了某些昆蟲（包括蒼蠅、蜜蜂和蜻蜓）的飛行動(dòng)作。在本文中，我們將關(guān)注這些與昆蟲類似的微型飛行器。你將了解到蒼蠅如何飛行、如何制造模擬蒼蠅飛行的機(jī)器，以及這些微型飛行裝置將部署到何處。

于飛行，蒼蠅可以教給我們很多知識(shí)，這些知識(shí)我們是無法通過研究固定翼飛機(jī)學(xué)到的。多年以來，人們很少了解昆蟲飛行的原理，但它們卻是地球上最古老的飛行家，有時(shí)人們稱之為自然界的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)。您可能聽說過，根據(jù)傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論，大黃峰是不能飛行的。這是因?yàn)槔ハx的飛行原理與固定翼飛機(jī)的飛行原理是不同的。

加州大學(xué)伯克利分校的生物學(xué)家邁克爾·迪金森（Michael Dickinson）說“工程師們稱可以證明大黃峰不能飛行”，“如果你將固定翼飛機(jī)的理論應(yīng)用到昆蟲身上，你確實(shí)會(huì)推斷出它們不能飛行。你必須運(yùn)用某種不同的理論”。

迪金森參與了微型機(jī)械飛行昆蟲（MFI）項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目組的成員正在利用昆蟲的飛行原理研制小型飛行機(jī)器人。此項(xiàng)目是與DARPA合作開發(fā)的。MFI項(xiàng)目組計(jì)劃研制一種寬度為10到25毫米的機(jī)械昆蟲，這比DARPA的尺寸限值15厘米要小得多，這種機(jī)械昆蟲將通過扇動(dòng)翅膀的方式來飛行。項(xiàng)目的目標(biāo)是再現(xiàn)麗蠅的飛行方式。

Jason Spingarn-Koff供圖 伯克利研究人員手中的微型機(jī)械飛行昆蟲模型

如果您讀過飛機(jī)如何飛上藍(lán)天？這篇文章，您會(huì)知道飛機(jī)之所以能產(chǎn)生升力，是因?yàn)闄C(jī)翼上方空氣的流動(dòng)速度要比機(jī)翼底部的快。這稱為穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)。這個(gè)原則不適用于蒼蠅或者蜜蜂，因?yàn)樵陲w行期間，它們的翅膀一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

康奈爾大學(xué)工程學(xué)院的物理學(xué)家Z. Jane Wang說：“與固定翼飛機(jī)擁有穩(wěn)定、幾乎沒有粘性（沒有粘度）的流體動(dòng)力特性不同，昆蟲是在旋渦流中飛行，它們被翅膀扇動(dòng)引起的微型旋渦和旋風(fēng)包圍著。旋渦是翅膀造成的渦流，漩渦中空氣的流向與空氣主流的方向相反。”

昆蟲產(chǎn)生的旋渦使它們留在空中。迪金森的團(tuán)隊(duì)列舉了三個(gè)原理來解釋昆蟲如何獲得升力并在空中停留：

• 延時(shí)失速——昆蟲以一個(gè)較高的迎角向前扇動(dòng)翅膀，以一個(gè)比普通飛機(jī)機(jī)翼還陡的角度切割空氣。在這樣陡的角度，固定翼飛機(jī)將會(huì)失速、失去升力，機(jī)翼上的阻力將會(huì)增加。昆蟲翅膀引起的前緣渦位于翅膀的表面，可以產(chǎn)生升力。
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• 環(huán)流——在擺動(dòng)結(jié)束階段，昆蟲翅膀向后旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個(gè)使昆蟲上升的回旋，類似于使乒乓球上升的回旋。
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• 尾流捕捉——在翅膀穿過空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)在身后留下渦流或者旋渦。當(dāng)昆蟲旋轉(zhuǎn)翅膀準(zhǔn)備返回時(shí)，它切入自身的尾流，捕捉足夠的能量使自己上升。迪金森稱，即使在翅膀停止扇動(dòng)之后，昆蟲也可以從尾流獲得升力。

迪金森說：“如果我們通過建造昆蟲機(jī)器人來利用這些機(jī)制，真是太妙了。但現(xiàn)在你無法基于已知原理來建造它們——您必須從基本原理上重新思考這個(gè)問題。”在下一部分中，您將了解研究人員如何將這些原理應(yīng)用到機(jī)械飛行昆蟲的研制上。

至少有兩個(gè)由DARPA資助的MAV項(xiàng)目受到了昆蟲飛行原理的啟發(fā)。邁克爾·迪金森在伯克利制造微型機(jī)械飛行昆蟲的同時(shí)，喬治亞理工學(xué)院的一名研究工程師羅伯特·米切爾森正致力于Entomopter的研制。我們來仔細(xì)了解一下這兩個(gè)項(xiàng)目。

Entomopter

2000年7月，美國專利局將一項(xiàng)專利授予了喬治亞技術(shù)研究公司（Georgia Tech Research Corporation），因?yàn)樵摴镜拿浊袪柹l(fā)明了Entomopter，又稱為多模態(tài)電子機(jī)械昆蟲。根據(jù)美國專利第6,082,671號(hào)，Entomopter是為了室內(nèi)操作而設(shè)計(jì)的。它將通過扇動(dòng)翅膀產(chǎn)生升力來模擬昆蟲的飛行。此外，科研人員正在研究使Entomopter可以在走廊和通風(fēng)系統(tǒng)穿行和在門下爬行的方法。

我們來看一下Entomopter的基本部件：

• 機(jī)身——正如體積較大的飛機(jī)一樣，這是機(jī)器的外殼，里面裝有電源和主燃料箱。Entomopter的所有其他部件都連接到機(jī)身上。
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• 機(jī)翼——有兩個(gè)翅膀，分別位于前部和后部，以一個(gè)X形配置通過樞軸方式裝到機(jī)身上。這些翅膀由薄膜制成。堅(jiān)硬而靈活的翅脈在機(jī)身連接處連接到翅膀上，為翅膀提供所需的曲線，以便在上揮和下拍時(shí)都能產(chǎn)生升力。
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• 往復(fù)化學(xué)肌肉（RCM）——一個(gè)緊湊、非燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)連接到翅膀上，以產(chǎn)生振動(dòng)動(dòng)作。
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• 傳感器——傳感器負(fù)責(zé)偵察前方、下方和側(cè)面的情況。
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• 攝像機(jī)——原型中沒有配備迷你攝像機(jī)，但最終版可以攜帶一個(gè)攝像機(jī)或者嗅覺傳感器。這種傳感器將檢測(cè)氣味，Entomopter將跟蹤氣味，直至找到氣味的源頭。
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• 表面操縱機(jī)制——當(dāng)Entomopter用于地面任務(wù)時(shí)，這項(xiàng)機(jī)制可幫助導(dǎo)航。
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• 腿/腳——也稱為表面移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，這些部件可提供反搖擺慣量和輔助燃料存儲(chǔ)。

Entomopter通過化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。將單元推進(jìn)劑注入到機(jī)身，產(chǎn)生可釋放氣體的化學(xué)反應(yīng)。氣體壓力逐漸增大，擠壓機(jī)身中的活塞。此活塞通過樞軸方式與翅膀相連，使翅膀快速振動(dòng)。有些氣體通過翅膀中的通風(fēng)孔排出，可用于改變?nèi)我怀岚蛏系纳?，使裝置可以轉(zhuǎn)彎。目前，Entomopter的翼展為25厘米。米切爾森說：“下一步是將RCM裝置的體積降到昆蟲那么大?！?/font>

在家蠅大小的裝置中，每個(gè)零件都必須執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)。例如，一個(gè)連接到裝置背部的無線電天線也可以充當(dāng)導(dǎo)航穩(wěn)定器。腿部可以存儲(chǔ)燃料，以調(diào)整裝置重量并在飛行中起平衡作用。

美國政府還在伯克利項(xiàng)目中投入250萬美元，以開發(fā)尺寸只有普通家蠅大小的機(jī)器昆蟲。使微型機(jī)械飛行昆蟲（MFI）能停留在空氣中的第一個(gè)重要步驟是機(jī)器蠅（Robofly）的研制，機(jī)器蠅使研究人員可以深入了解昆蟲的飛行機(jī)制。

R.Fearing/UC-Berkeley供圖 伯克利已研制完成的微型機(jī)械飛行昆蟲的藝術(shù)概念圖

為了制作微型機(jī)械飛行昆蟲，研究人員通過試驗(yàn)來了解蒼蠅的飛行原理。其中一個(gè)試驗(yàn)還制作了一對(duì)寬度為25厘米的機(jī)器翅膀，名為機(jī)器蠅，它以果蠅的翅膀?yàn)樵?，由樹脂玻璃制成。機(jī)器翅膀浸在一罐礦物油中，礦物油迫使機(jī)器翅膀像長度為1毫米的果蠅翅膀那樣在空氣中快速振翅。六個(gè)馬達(dá)——每個(gè)翅膀上三個(gè)，用于使翅膀前后、上下移動(dòng)并做出旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。連接的傳感器用于測(cè)量翅膀的作用力。

最后，機(jī)器蒼蠅可以縮小成不銹鋼微型機(jī)器蠅，寬度為10-25毫米，重量為43毫克。翅膀?qū)⒂删埘ケ∧ぶ瞥?。太陽能將?qū)動(dòng)一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器來推動(dòng)翅膀振動(dòng)。機(jī)器蠅的胸腔部位將壓電驅(qū)動(dòng)器偏移轉(zhuǎn)換為實(shí)現(xiàn)飛行所需的大幅度翅膀擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。

盡管機(jī)器蠅還不能飛，但是根據(jù)報(bào)告，在試驗(yàn)中，利用完全運(yùn)轉(zhuǎn)的雙翅結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)升空所需作用力的90%左右。下一步是添加一個(gè)飛行控制裝置和通信裝置，從而實(shí)現(xiàn)遙控。研究人員稱，他們正致力于通過光學(xué)感應(yīng)和機(jī)載陀螺儀來支持受控式盤旋。

考慮美國軍方在微型飛行器項(xiàng)目上所投入的資金，這些機(jī)械昆蟲頭一次可能要作為偵察蠅來使用。DARPA設(shè)計(jì)了一種可用于執(zhí)行偵察任務(wù)并由地面上的士兵進(jìn)行控制的偵察蠅。這種小型飛行裝置不會(huì)傳輸部隊(duì)行動(dòng)的圖像，但可用于檢測(cè)生物武器、化學(xué)武器或者核武器。此外，機(jī)械昆蟲還可以?？吭跀撤杰囕v上，將電子標(biāo)簽放在上面，從而更容易定位目標(biāo)。

在DARPA針對(duì)微型飛行器開發(fā)問題而提供的《1997年年度報(bào)告》中，作者論述了微技術(shù)（包括微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS））的發(fā)展將很快使偵察蠅成為一種可行的設(shè)計(jì)。他指出，正在制作的微系統(tǒng)，如CCD陣列攝像機(jī)、微型紅外傳感器以及芯片大小的危險(xiǎn)物質(zhì)探測(cè)器，它們的尺寸將小到足以集成到一個(gè)偵察蠅的結(jié)構(gòu)中。

軍方需要的是行動(dòng)范圍在10公里左右的微型飛行器，這些飛行器可以在白天或者夜晚飛行，并可在空中停留1個(gè)小時(shí)左右。DARPA官員表示，微型飛行器的理想時(shí)速為35.4公里到72.4公里。對(duì)它們的控制工作將通過地面站來完成，地面站將使用定向天線并與微型飛行器一直保持聯(lián)系。

機(jī)器蠅很適合作為新一代的星際探測(cè)器。喬治亞技術(shù)研究所（GTRI）已經(jīng)收到NASA先進(jìn)理念研究所（NIAC）提供的資金，用于研究將Entomopter用作火星飛行探測(cè)器這一設(shè)計(jì)思想。2001年3月，NASA為此研究的第二階段提供了資金，以期將來能夠?qū)崿F(xiàn)火星微型飛行器探測(cè)。

羅伯特·米切爾森供圖 一支由Entomopter組成的隊(duì)伍探索火星的藝術(shù)概念圖

與體積更大的偵察工具相比，Entomopter有幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。它們可以著陸、起飛、盤旋并在飛行期間執(zhí)行難度更高的技術(shù)動(dòng)作。它們的爬升和飛行能力也為它們探索其他星球提供了優(yōu)勢(shì)。NASA很可能會(huì)發(fā)送數(shù)十個(gè)這樣的偵察裝置來探索其他星球。Entomopter研制者羅布·米切爾森說，對(duì)于為探索火星而研制的Entomopter，其體積必須加大，翼展將達(dá)到1米左右，這樣才能在火星稀薄的大氣中飛行。

研究人員表示，這些微型飛行機(jī)器在自然災(zāi)害（如地震、龍卷風(fēng)或者山體滑坡）之后也可以發(fā)揮很大作用。它們體積小，可以飛行和盤旋，適合用來搜索埋在碎石中的人們。它們可以在搜救人員和較大機(jī)械設(shè)備無法抵達(dá)的裂縫中飛行。它們的其他用途包括交通監(jiān)控、邊境監(jiān)視、野生動(dòng)植物調(diào)查、電力線路巡查以及房地產(chǎn)航拍。

此外，偵察蠅還是一個(gè)展示科技力量的例子，它讓我們看到了科技在幫助人類安全完成危險(xiǎn)任務(wù)方面所發(fā)揮的重大作用。軍事偵察、搜索地震的受害者，以及飛往其他世界都是一些危險(xiǎn)性活動(dòng)——擁有飛行能力的微型機(jī)器使我們可以完成這些工作而無需親臨現(xiàn)場(chǎng)。