图：“机器蜜蜂”无人机
 

自然界中的各种生物历时数百万年才让扑翼飞行变得日臻完善，而现在，工程师们能用机器来再现这种飞行，由此制造出的各种微型无人机也已深入各个领域。

从自然界中汲取灵感

　　5年前，理查德·古烈和汤姆·瓦内克坐在一家距离他们的办公室几条街区的酒吧里交谈，试图让自己的神经从忙碌的工作中解脱出来。在过去一年多里，这两名工程师一直试图研制出一架经久耐用的微型无人机，其能躲避其他物体，在建筑物内准确定位；而且，在暴风雨天气里也能风雨无阻地飞行。

　　他们曾经尝试让其微型无人机采用固定机翼，但需要添加足够多的传感器才能让这种无人机有效地探测到障碍物，如此一来，这种无人驾驶飞机就太重了而无法飞起来。他们也尝试采用直升机的形式，但直升机的旋翼一直纠缠在电线内。另外，他们也制造过一个配备了发动机的气球，但以上诸多尝试都以失败告终。

　　当古烈和瓦内克坐在吧台上，小口啜饮着啤酒时，看到一只飞蛾突然猛烈地撞在了玻璃上。他们想，如果是微型无人机撞在玻璃上，必定会粉身碎骨，但这只飞蛾并没有如此，而是从玻璃上弹开，拍了拍翅膀，恢复原状，然后飞走了。

　　“这真是天降启示，让我们一下子觉得醍醐灌顶。”瓦内克目前是麻省研发公司物理科学公司（PSI）的工程师。他说：“我们意识到，我们能制造出一种人造系统，其撞击到其他物体上之后，能立刻复原并继续向前，这是一个创新。”

　　这并非工程师们首次从自然界中借鉴和汲取设计灵感，尤其是当我们提到飞行时，从自然界中汲取的灵感和经验不胜枚举。自然界中，有些飞行动物经历了近亿年的进化过程，为了攫取食饵、逃避敌害、生殖繁衍和集群活动等生存需要，通过漫长的环境适应的自然选择过程，它们发展出了各具特色的空中飞行能力，其整体功能渐趋优化，为当前的人造航行器和飞行器望尘莫及。其上亿年进化得来的翅膀形态和飞行方式给了我们很多启迪。

　　数个世纪以来，人类一直梦想有一天能像鸟儿一样在天空中翱翔。早在古希腊，就流传着关于翅膀的传说：少年伊卡洛斯和父亲狄德勒斯被诸神囚禁在孤岛上。身为巧匠的父亲便利用岛上的蜡烛，制作了两副精巧的羽翅，一副给自己，一副给伊卡，可以借此飞出孤岛，逃离囚禁的命运。在起飞前，父亲警告伊卡：翅膀是蜡制的，遇热会融化，因此绝不可高飞，要避开阳光。但伊卡洛斯最终忘记了父亲的劝告，飞得过高，导致翅膀被太阳烤化，伊卡洛斯也坠入大海，白白丢了性命。

　　15世纪70年代，意大利天才莱昂纳多·达·芬奇画出了一种由飞行员自己提供动力的飞行器，并称这种飞行器为“扑翼飞机”。这种飞机模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙，具有多个膜状翅膀。达·芬奇认为只有扑翼机才能既具备推力，又具备提升力。此后，有许多人开始模仿达·芬奇的画作设计制造飞机，然而都逃不过失败的命运，理想情况下能上下蹦跳几下，最坏的结果则是摔成碎片。

　　后来，随着技术的不断发展，科学家们慢慢解开了自然界的很多谜题。与此同时，工程师们也研发出了第一架模仿昆虫的、能飞行的交通工具，由此，为一类全新的设备——微型无人机的出现拉开了大幕。

　　美国著名智库布鲁金斯学会的彼得·辛格说：“自然界数百万年的演化发展孕育出了无数的奇迹，这些都是我们灵感的来源。机器人的发展也是日新月异，明天出现的机器人与你今天看到的机器人可能迥然不同。最有可能出现的情况是，它们与动物看起来无异。”

揭开昆虫飞行的秘密

　　尽管昆虫和其亲属占所有动物物种（迄今为止，我们已知的动物共有90多万种）的80%左右，但昆虫飞行的力学原理一直是个未解之谜。传统的固定翼飞机主要依靠机翼上稳定的气流来飞行。直升机和旋翼机也是如此。但因为昆虫的翅膀会不断地前后拍打，所以它们周围的空气也在持续发生变化。而且，蜜蜂和其他昆虫短而粗的翅膀能够提升的重量之大，用传统的稳定状态的空气动力学原理根本不足以解释。

　　在科学家们能理解拍翼飞行之前，他们首先必须能看见其最幽微的细枝末节。在上世纪70年代，英国剑桥大学的丹麦籍动物学家托克尔·韦斯-福用高速摄影术对正在不断盘旋的昆虫翅膀的精确运动进行了分析并同昆虫的形态学特征进行比较。借此，他推导出了一个通用的昆虫飞行理论，其中包括他称为“拍扑效应”的原理。这种原理指出，昆虫在初始时刻将翅膀重叠在一起，随后再突然将翅膀分开，这种运动会把空气带走并且制造出一种低压的“小口袋”。接着，空气又会再次杀入“小口袋”中，形成一个不断旋转的涡旋。这种涡旋制造出的力对在昆虫的翅膀拍动期间将昆虫提升起来必不可少。韦斯-福指出，同样的漩涡或许可以由翅膀的角度和旋转所产生，从而产生额外的提升力。

20年后，计算机技术也对这一理论产生了兴趣；科学家们也开始将这些原理应用到人造系统上。英国剑桥大学的查尔斯·艾灵顿曾经是韦斯-福的学生，他建造出了一双机械翅膀，其能够精确地模拟鹰蛾的运动。鹰蛾是世界上飞行速度最快的昆虫，大约每小时可飞行53千米。艾灵顿将研制出的机械翅膀置于一个充满了烟雾的风洞（风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具）中，如此一来，当昆虫拍动翅膀时，他就能分析其运动的流体动力学原理。

　　另外，美国加州大学伯克利分校的神经生物学家迈克尔·迪金森则建造了一对机器果蝇的翅膀，其能模拟一只果蝇的一举一动。他将该机器果蝇翅膀浸入2吨的矿物油中。借用这两组机械翅膀，这两名科学家分别总结出了各自研究的昆虫飞行的空气动力学原理。

　　1998年，迪金森和电子工程师罗恩·费林获得了美国国防部预研局（DARPA）提供的250万美元奖金，以应用这些原理来研制一台昆虫大小的机器人。他们找了一位名叫洛博·伍德的研究生和他们一起工作，伍德的主要任务是帮助他们研发技术来制造出细小的零件并将其组装成一对镊子，这些工作繁琐且耗时。伍德说：“昆虫翅膀的飞行轨迹真的非常复杂。”2004年，伍德从哈佛大学毕业并拥有了自己的实验室，此时，他已经找到了非常有效的方法，可以使用极其高效且奇异的材料来复制昆虫翅膀的运动。他建造了一个陀螺仪，能模拟昆虫用来探测身体旋转的传感器；而且，他也研究出了方法，可以在微尺度上制造复杂的系统。

将知识变成机器人

　　2006年一个寒冷的冬日，伍德到达他哈佛大学的实验室。工作台上放着一个60毫克重的机器人，其拥有3厘米长的翼展以及家蝇大小的胸部，该机器人同一台计算机相连，计算机的机箱上塞满了高压放大器和数据采集设备，伍德仔细地检查了它们之间的连接和信号。

　　接着，他迅速打开发动机，当他的小型机器人的翅膀开始振动时，他仔细地观察，结果发现，这种振动将机器人提到空中，持续了几秒时间。伍德高兴地跳了起来。他耗费7年时间就为了这一刻。不过他还要花上5年时间，才能取得下一个突破：让这种微型机器人沿着预先编好的路线持续稳定地飞行。

　　2012年夏天，他取得了里程碑式的成功，他的实验室成功研制出了一款名为“机器蜜蜂（RoboBee）”的模型，结果表明，这种精巧的机器能升入空中并首次展示出了稳定的盘旋以及有控制的飞行技巧。

　　现在，伍德已经成为微尺度机器飞行领域的泰斗，而其他研究人员则通过使用扑翼

动力学来减少能携带负载的飞行设备的大小。