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美国正在一个不熟悉的地区作战，一场战役即将打响。敌方地面部队已驻扎下来，准备进攻我方部队，他们距我方部队只有3.2公里。但是，敌人并不知道在他们头顶上飞行的、配有微型摄像机的机械昆虫正在监视着他们的一举一动。这些微型机械飞行物称为微型飞行器（MAV），它们可以嗡嗡地在敌军阵地的上空盘旋而几乎不会被下面的敌军注意到。很少会有人会注意这些只有一角硬币大小的飞行机器人。 美国国防部正在投入数百万美元研制这些微型飞行器。有了它们，士兵在执行侦察任务期间便可以有效地保护自己免受伤害。如今，战斗期间的情报搜集工作通常会使小股士兵或者大的飞机处于危险境地。而卫星图像信息又不能被地面士兵即时获取。
美国国防部高级研究计划署（DARPA）正在为几个研究团队提供资金，希望研制出长度、宽度和高度都不超过15厘米的微型飞行器。这些微型飞行器将比迄今为止开发的任何无人驾驶飞行器（UAV）都要小一个量级。其中一类微型飞行器的设计模仿了某些昆虫（包括苍蝇、蜜蜂和蜻蜓）的飞行动作。在本文中，我们将关注这些与昆虫类似的微型飞行器。你将了解到苍蝇如何飞行、如何制造模拟苍蝇飞行的机器，以及这些微型飞行装置将部署到何处。 于飞行，苍蝇可以教给我们很多知识，这些知识我们是无法通过研究固定翼飞机学到的。多年以来，人们很少了解昆虫飞行的原理，但它们却是地球上最古老的飞行家，有时人们称之为自然界的喷气式战斗机。您可能听说过，根据传统的空气动力学理论，大黄峰是不能飞行的。这是因为昆虫的飞行原理与固定翼飞机的飞行原理是不同的。 加州大学伯克利分校的生物学家迈克尔·迪金森（Michael Dickinson）说“工程师们称可以证明大黄峰不能飞行”，“如果你将固定翼飞机的理论应用到昆虫身上，你确实会推断出它们不能飞行。你必须运用某种不同的理论”。 迪金森参与了微型机械飞行昆虫（MFI）项目，这个项目组的成员正在利用昆虫的飞行原理研制小型飞行机器人。此项目是与DARPA合作开发的。MFI项目组计划研制一种宽度为10到25毫米的机械昆虫，这比DARPA的尺寸限值15厘米要小得多，这种机械昆虫将通过扇动翅膀的方式来飞行。项目的目标是再现丽蝇的飞行方式。
如果您读过飞机如何飞上蓝天？这篇文章，您会知道飞机之所以能产生升力，是因为机翼上方空气的流动速度要比机翼底部的快。这称为稳态空气动力学。这个原则不适用于苍蝇或者蜜蜂，因为在飞行期间，它们的翅膀一直处于运动状态。 康奈尔大学工程学院的物理学家Z. Jane Wang说：“与固定翼飞机拥有稳定、几乎没有粘性（没有粘度）的流体动力特性不同，昆虫是在旋涡流中飞行，它们被翅膀扇动引起的微型旋涡和旋风包围着。旋涡是翅膀造成的涡流，漩涡中空气的流向与空气主流的方向相反。” 昆虫产生的旋涡使它们留在空中。迪金森的团队列举了三个原理来解释昆虫如何获得升力并在空中停留：
迪金森说：“如果我们通过建造昆虫机器人来利用这些机制，真是太妙了。但现在你无法基于已知原理来建造它们——您必须从基本原理上重新思考这个问题。”在下一部分中，您将了解研究人员如何将这些原理应用到机械飞行昆虫的研制上。 至少有两个由DARPA资助的MAV项目受到了昆虫飞行原理的启发。迈克尔·迪金森在伯克利制造微型机械飞行昆虫的同时，乔治亚理工学院的一名研究工程师罗伯特·米切尔森正致力于Entomopter的研制。我们来仔细了解一下这两个项目。 Entomopter
我们来看一下Entomopter的基本部件：
Entomopter通过化学反应提供动力。将单元推进剂注入到机身，产生可释放气体的化学反应。气体压力逐渐增大，挤压机身中的活塞。此活塞通过枢轴方式与翅膀相连，使翅膀快速振动。有些气体通过翅膀中的通风孔排出，可用于改变任一翅膀上的升力，使装置可以转弯。目前，Entomopter的翼展为25厘米。米切尔森说：“下一步是将RCM装置的体积降到昆虫那么大。” 在家蝇大小的装置中，每个零件都必须执行多项任务。例如，一个连接到装置背部的无线电天线也可以充当导航稳定器。腿部可以存储燃料，以调整装置重量并在飞行中起平衡作用。 美国政府还在伯克利项目中投入250万美元，以开发尺寸只有普通家蝇大小的机器昆虫。使微型机械飞行昆虫（MFI）能停留在空气中的第一个重要步骤是机器蝇（Robofly）的研制，机器蝇使研究人员可以深入了解昆虫的飞行机制。
为了制作微型机械飞行昆虫，研究人员通过试验来了解苍蝇的飞行原理。其中一个试验还制作了一对宽度为25厘米的机器翅膀，名为机器蝇，它以果蝇的翅膀为原型，由树脂玻璃制成。机器翅膀浸在一罐矿物油中，矿物油迫使机器翅膀像长度为1毫米的果蝇翅膀那样在空气中快速振翅。六个马达——每个翅膀上三个，用于使翅膀前后、上下移动并做出旋转动作。连接的传感器用于测量翅膀的作用力。 最后，机器苍蝇可以缩小成不锈钢微型机器蝇，宽度为10-25毫米，重量为43毫克。翅膀将由聚酯薄膜制成。太阳能将驱动一个压电驱动器来推动翅膀振动。机器蝇的胸腔部位将压电驱动器偏移转换为实现飞行所需的大幅度翅膀摆动和旋转。 尽管机器蝇还不能飞，但是根据报告，在试验中，利用完全运转的双翅结构已经可以实现升空所需作用力的90%左右。下一步是添加一个飞行控制装置和通信装置，从而实现遥控。研究人员称，他们正致力于通过光学感应和机载陀螺仪来支持受控式盘旋。 考虑美国军方在微型飞行器项目上所投入的资金，这些机械昆虫头一次可能要作为侦察蝇来使用。DARPA设计了一种可用于执行侦察任务并由地面上的士兵进行控制的侦察蝇。这种小型飞行装置不会传输部队行动的图像，但可用于检测生物武器、化学武器或者核武器。此外，机械昆虫还可以停靠在敌方车辆上，将电子标签放在上面，从而更容易定位目标。 在DARPA针对微型飞行器开发问题而提供的《1997年年度报告》中，作者论述了微技术（包括微电子机械系统（MEMS））的发展将很快使侦察蝇成为一种可行的设计。他指出，正在制作的微系统，如CCD阵列摄像机、微型红外传感器以及芯片大小的危险物质探测器，它们的尺寸将小到足以集成到一个侦察蝇的结构中。 军方需要的是行动范围在10公里左右的微型飞行器，这些飞行器可以在白天或者夜晚飞行，并可在空中停留1个小时左右。DARPA官员表示，微型飞行器的理想时速为35.4公里到72.4公里。对它们的控制工作将通过地面站来完成，地面站将使用定向天线并与微型飞行器一直保持联系。 机器蝇很适合作为新一代的星际探测器。乔治亚技术研究所（GTRI）已经收到NASA先进理念研究所（NIAC）提供的资金，用于研究将Entomopter用作火星飞行探测器这一设计思想。2001年3月，NASA为此研究的第二阶段提供了资金，以期将来能够实现火星微型飞行器探测。
与体积更大的侦察工具相比，Entomopter有几点优势。它们可以着陆、起飞、盘旋并在飞行期间执行难度更高的技术动作。它们的爬升和飞行能力也为它们探索其他星球提供了优势。NASA很可能会发送数十个这样的侦察装置来探索其他星球。Entomopter研制者罗布·米切尔森说，对于为探索火星而研制的Entomopter，其体积必须加大，翼展将达到1米左右，这样才能在火星稀薄的大气中飞行。 研究人员表示，这些微型飞行机器在自然灾害（如地震、龙卷风或者山体滑坡）之后也可以发挥很大作用。它们体积小，可以飞行和盘旋，适合用来搜索埋在碎石中的人们。它们可以在搜救人员和较大机械设备无法抵达的裂缝中飞行。它们的其他用途包括交通监控、边境监视、野生动植物调查、电力线路巡查以及房地产航拍。 此外，侦察蝇还是一个展示科技力量的例子，它让我们看到了科技在帮助人类安全完成危险任务方面所发挥的重大作用。军事侦察、搜索地震的受害者，以及飞往其他世界都是一些危险性活动——拥有飞行能力的微型机器使我们可以完成这些工作而无需亲临现场。 |
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