论文分享 | 微型水面扑翼飞行机器人 既能“天上飞”，也能“水中游”

研究团队：哈尔滨工业大学机电工程学院

关键词：仿生扑翼机器人；水面飞行；柔性翼；非定常空气动力学；升力优化

如今，仿生技术已成为科技发展的新宠。有调查研究显示：超过80%的人认为仿生技术代表了未来的发展方向，而仿生飞行器的研制，正是这一理念的具体实践。

自然界中有许多能在水面上灵活运动的生物，如水黾、水蜘蛛，以及各种扑翼飞行的生物，如蜂鸟等。科学家们通过模仿这些生物的特性，开发了水面运动机器人和扑翼飞行机器人，并将其应用于水质监测、海洋搜救、农田管理和战场侦测等场景。然而，这些仿生机器人受限于各自的运动形式，只能在特定环境中执行任务，限制了它们的应用场景和能力。

首先，在机器人结构仿生设计环节，研究院团队通过归纳总结确定了以水黾和蜂鸟这两种仿生对象相结合的目标机器人。基于仿生蜂鸟扑翼运动，设计了基于弦驱动的扑动机构；采用疏水性材料对水黾的超疏水性支撑特性进行仿生，建立了支撑力和拖拽力模型；同时，在保证支撑力的前提下以减小支撑脚重力和拖拽力为目标，设计了水面支撑机构。

与此同时，为解决水面扑翼稳定飞行所需的高升力问题，研究团队在三维运动下的扑翼空气动力学模型和欧拉—伯努利梁原理的翼翅变形模型基础上进一步构建了柔性翼扑动空气动力学模型。通过分析翼翅的形状结构参数和前缘刚度对升力的影响规律，确定了不同刚度翼的理论极限扑动频率之后，设计了基于杠杆原理的升力实验装置，并针对翼型、尺寸参数、翼肋加装方式和前缘刚度等以优化升力为目标进行了迭代优化实验，得到了最优翼翅。

扑翼流体计算模型

升力实验平台

通过开展不同扑动频率下机器人水面飞行实验，分析机器人飞行高度、脱离水面的时间、偏移距离等因素对水面起飞性能的影响，通过分析机体飞行过程的受力，设计了被动空气阻尼器，最终实现了机器人水面稳定飞行。

无线控制水面稳定飞行

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