扑翼飞行器:从自然到科技的飞翔梦想

来源: 物种日历

发布日期: 2021-01-05

本文探讨了扑翼飞行器从科幻作品到现实科技的发展历程,介绍了其在军事、环境勘查等专业领域的应用,以及在消费级市场的空白。文章还详细描述了汉王推出的仿生学鸟型扑翼飞行器的特点和操控体验,强调了其在微型飞行器设计中的创新和实用性。

痴迷于各式飞行器的我,一直忘不了十多年前第一次观看《天空之城》后的那份震撼。其中留给我印象最深的,既不是空浮都市拉普达,更不是那台伫立在三鹰之森吉卜力美术馆屋顶的机器人兵,而是空贼团伙“朵拉一族”的“鼓翼机”。看到这帮空贼驾驶着“鼓翼机”飞掠在原野之上,我甚至也能感到阵阵烈风扫过面颊。这种上下扑腾翅膀的飞行方式,既熟悉又陌生。

熟悉的是很多昆虫和鸟类都是这么飞行的,陌生在于几乎没见过什么人造飞行器是“扇着翅膀”飞起来的。通过扇动翅膀飞翔,称为“扑翼飞行”。不只是《天空之城》,由弗兰克·赫伯特创作的科幻巨作《沙丘》系列中也出现了扑翼飞行器的设定。扑翼飞行已然在各种虚构作品中风生水起,而回归现实,却还停留在各种高精尖的实验项目中。

2019年发表于Nature的一篇论文,《柔软人造肌肉驱动的微型机器人的受控飞行》,团队开发制作了一种扑翼飞行的机器人。想象一下,某天你坐上飞机,起飞时机翼突然开始上下扇动起来,就算系着安全带估计都会颠个七荤八素。客舱服务?不存在的;卫生间也别想去了,一路从头憋到尾。其实大自然里的飞行能手也不会时时刻刻扑腾翅膀。

特别是体型较大的鸟类,一般都是扇几下翅膀(振翅飞行),然后展翅翱翔,借助上升气流“御风而行”。对于大体积的生物来说,扑翼飞行非常消耗能量。单从这个角度看,人造飞行载具还是采用固定翼更为经济。但当我们逐渐缩小空间尺寸,到达一定程度时,扑翼飞行就要逆袭了。蜂鸟、昆虫,这些娇小的动物,飞行时基本处于高频率的振翅状态。它们给人的第一印象就是灵巧、自由。

它们善于在很小的空间内闪转腾挪,而且体积小巧又没啥噪音,非常适合运用在一些微型飞行器的设计思路中。从上世纪90年代开始,很多国家都成立了专门的研究机构,投入大量经费,研究开发这类微型飞行器。扑翼飞行技术目前已经可用于军事任务、环境勘查、救灾探测等专业领域了。但在消费级市场却经历很长一段空白期。

若是能拥有一只模型小鸟,时不时能在头顶盘旋,飞至远处又能招之即来挥之即去……那每逢周末节假,出门转转的兴致是不是更高了呢?让翅膀扑腾起来,只是第一步,这不算太难,电池+马达就能做到。可飞起来以后怎么办呢?如何控制姿态,怎样闪避障碍?如何实现昆虫、蜂鸟般的高机动性?一旦离开地面,飞行器就会面临极其复杂的气流条件,需要迅速整合海量的数据信息,并及时在翼端反馈——朝哪飞?如何稳定姿态?

怎么避开障碍……一连串问题排队等着工程师来解决。过去,扑翼飞行在消费级领域一直是空白,投入成本实在得不偿失。好在这一连串的技术已经积累了二十多年,终于出现了玩具类的遥控扑翼飞行器。前几天,我们就体验了一把这只汉王推出的“仿生学鸟型扑翼飞行器”。这不断扇动的翅膀,还真能让人产生一种这是只真鸟的错觉。翅膀由两张呈X状交叉的翼面组成,内部三枚齿轮实现了从马达到扑翼的传动。

想要通过扑翼飞起来,首先机身得很轻巧,这只飞行器全机净重仅16克,差不多就是两三张A4打印纸的质量。但要在复杂气流环境下实现飞行控制,又离不开大量传感器。汉王在这16克的机身里,塞入了红外测距传感器、六轴陀螺仪、气压计、方向感知等4套传感器!额头部位是红外传感器;尾舵安置了陀螺仪。把这些烦人的术语翻译成人话就是,这只鸟可以在飞行过程中实现前方避障、稳定姿态、定高飞行以及一些特定表演动作!

有了这些技术加成,操控方面可以说是非常轻松。飞行器配备了一个小巧的单手遥控器,预设了十拿九稳的飞行模板:左、右盘旋,“8”字飞行,足够你拍小视频显摆一番了!想挑稍微寻求一点挑战也没问题,摇杆4个方向对应6种功能,足够你玩出各种花样。想要驾驭它,技巧就是冷静。要注意前推摇杆不但会加速还能高飞,如果在室内玩耍千万别一直推到顶。一旦发现有失控苗头,就放开摇杆。

飞行器本身具备定高飞行的功能,拿着遥控器啥都不干也能正常巡航。头部的红外测距仪能帮助飞行器避开前方障碍,遛上一阵,开启自动盘旋就能放松一下。拿到飞行器,除了本体和遥控器,还有两块锂电池和充电器以及一本说明书。充满电量,一块电池支持10分钟的续航。起飞很简单就像扔纸飞机,按下遥控器的扳机,翅膀扑腾起来就扔出去,可以持续自动飞行,直到你开始发出指令。

最大飞行高度为30米,差不多10层楼高,我一般飞到那么高时就能明显感到肾上腺素的分泌——兴奋甚至隐隐发抖。如果飞行高度很低,遥控半径在80米以内,不过城市里一般很难找到这么宽广的飞行领域,亲测超过20米就会产生一种刺激感,但看着它安然飞行则又会归于平静。盘旋、掉头、俯冲……巧妙使用摇杆,能实现各种特技表演花活儿!

建议大家在空旷场地“遛鸟”,室内空间如果足够大也可以起飞,机身轻巧,速度也不是很快,碰撞到身上一般不会发生危险。如果室外风力达到3级或以上,就收起来吧,容易被吹飞!一般市面上玩具级别的遥控无人机,没个五六百块钱也不敢说是靠谱的产品。这款扑翼飞行器可谓是另辟蹊径,轻巧材质、可靠飞控,果壳商店仅售199元!

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