美國正在一個不熟悉的地區(qū)作戰(zhàn)，一場戰(zhàn)役即將打響。敵方地面部隊已駐扎下來，準(zhǔn)備進(jìn)攻我方部隊，他們距我方部隊只有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。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被下面的敵軍注意到。很少會有人會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)斗期間的情報搜集工作通常會使小股士兵或者大的飛機(jī)處于危險境地。而衛(wèi)星圖像信息又不能被地面士兵即時獲取。

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。

美國國防部高級研究計劃署（DARPA）正在為幾個研究團(tuán)隊提供資金，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）都要小一個量級。其中一類微型飛行器的設(shè)計模仿了某些昆蟲（包括蒼蠅、蜜蜂和蜻蜓）的飛行動作。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，這些知識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)的空氣動力學(xué)理論，大黃峰是不能飛行的。這是因為昆蟲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，你確實會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）項目，這個項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。此項目是與DARPA合作開發(fā)的。MFI項目組計劃研制一種寬度為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)械昆蟲將通過扇動翅膀的方式來飛行。項目的目標(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，您會知道飛機(jī)之所以能產(chǎn)生升力，是因為機(jī)翼上方空氣的流動速度要比機(jī)翼底部的快。這稱為穩(wěn)態(tài)空氣動力學(xué)。這個原則不適用于蒼蠅或者蜜蜂，因為在飛行期間，它們的翅膀一直處于運(yùn)動狀態(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）的流體動力特性不同，昆蟲是在旋渦流中飛行，它們被翅膀扇動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?！?/font>

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

• 延時失速——昆蟲以一個較高的迎角向前扇動翅膀，以一個比普通飛機(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)將會失速、失去升力，機(jī)翼上的阻力將會增加。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——在擺動結(jié)束階段，昆蟲翅膀向后旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一個使昆蟲上升的回旋，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)動時，它會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，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問題?！痹谙乱徊糠种?，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。

至少有兩個由DARPA資助的MAV項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，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)了解一下這兩個項目。

Entomopter

2000年7月，美國專利局將一項專利授予了喬治亞技術(shù)研究公司（Georgia Tech Research Corporation），因為該公司的米切爾森發(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，Entomopter是為了室內(nèi)操作而設(shè)計的。它將通過扇動翅膀產(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——有兩個翅膀，分別位于前部和后部，以一個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都能產(chǎn)生升力。
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• 往復(fù)化學(xué)肌肉（RCM）——一個緊湊、非燃燒發(fā)動機(jī)連接到翅膀上，以產(chǎn)生振動動作。
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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攝像機(jī)或者嗅覺傳感器。這種傳感器將檢測氣味，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，這項機(jī)制可幫助導(dǎo)航。
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• 腿/腳——也稱為表面移動發(fā)動機(jī)，這些部件可提供反搖擺慣量和輔助燃料存儲。

Entomopter通過化學(xué)反應(yīng)提供動力。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。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，每個零件都必須執(zhí)行多項任務(wù)。例如，一個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，研究人員通過試驗來了解蒼蠅的飛行原理。其中一個試驗還制作了一對寬度為25厘米的機(jī)器翅膀，名為機(jī)器蠅，它以果蠅的翅膀為原型，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。六個馬達(dá)——每個翅膀上三個，用于使翅膀前后、上下移動并做出旋轉(zhuǎn)動作。連接的傳感器用于測量翅膀的作用力。

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)動一個壓電驅(qū)動器來推動翅膀振動。機(jī)器蠅的胸腔部位將壓電驅(qū)動器偏移轉(zhuǎn)換為實現(xiàn)飛行所需的大幅度翅膀擺動和旋轉(zhuǎn)。

盡管機(jī)器蠅還不能飛，但是根據(jù)報告，在試驗中，利用完全運(yùn)轉(zhuǎn)的雙翅結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以實現(xiàn)升空所需作用力的90%左右。下一步是添加一個飛行控制裝置和通信裝置，從而實現(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傳輸部隊行動的圖像，但可用于檢測生物武器、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針對微型飛行器開發(fā)問題而提供的《1997年年度報告》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。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物質(zhì)探測器，它們的尺寸將小到足以集成到一個偵察蠅的結(jié)構(gòu)中。

軍方需要的是行動范圍在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個小時左右。DARPA官員表示，微型飛行器的理想時速為35.4公里到72.4公里。對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用作火星飛行探測器這一設(shè)計思想。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。

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

與體積更大的偵察工具相比，Entomopter有幾點優(yōu)勢。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。NASA很可能會發(fā)送數(shù)十個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性活動——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。