仿生學(xué)仿生學(xué)(bionics)是模仿生物系統(tǒng)的原理來(lái)建造技

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1、昆蟲與仿生 彩萬(wàn)志 (中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲學(xué)系) 仿生學(xué) (bionics) 是模仿生物系統(tǒng)的原理來(lái)建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或 類似于生物系統(tǒng)特征的科學(xué)。自從人類誕生就開始了仿生活動(dòng)，但仿生學(xué)作為一門學(xué)科是 1960 年 6 月在美國(guó)召開的一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上提出的，它是一個(gè)涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、 化學(xué)、 神經(jīng)學(xué)、 自動(dòng)化、控制論等多學(xué)科的綜合性邊緣學(xué)科。其實(shí)質(zhì)就是模仿生物制造各類 設(shè)備。因此，首次仿生學(xué)會(huì)議的副標(biāo)題就是“生物原型 --- 新技術(shù)的鑰匙”。 全球昆蟲種類 1000 萬(wàn)種、占全球生物種類的 1/2 、占全球動(dòng)物種類的 2/3 。在漫長(zhǎng)的 生物進(jìn)化史中，鼎盛

2、一時(shí)的三葉蟲滅絕了，龐大的恐龍消失了……而小小的昆蟲卻一直繁榮 至今。除了昆蟲具有驚人的繁殖能力、適應(yīng)能力外，它們?cè)谛螒B(tài)、生理、行為等方面具有很 多絕妙之處。有很多地方連人類也自嘆不如，如螳螂能夠在 0.05 秒內(nèi)一躍而起，捕捉到空 中飛行的獵物， 這一速度連目前的微電子和自動(dòng)化技術(shù)都達(dá)不到。 所有這些獨(dú)到之點(diǎn)， 都是 仿生學(xué)的豐富資源。 昆蟲的形態(tài)千姿百態(tài)，千差萬(wàn)別，從頭到尾，從里到外，與仿生學(xué)相關(guān)之處甚多，大 體有以下五個(gè)方面。 (1) 昆蟲的頭部與仿生昆蟲的觸角與各式各樣的天線、昆蟲的復(fù)眼與蠅眼相機(jī)、蟲眼導(dǎo) 彈、地對(duì)空速度儀、空對(duì)地速度計(jì)、偏振光導(dǎo)航儀等。 (2) 昆蟲

3、的胸部與仿生翅的花紋與軍事偽裝、鱗片與計(jì)算機(jī)散然裝置、鱗片結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星 控溫、鱗片結(jié)構(gòu)與防偽紙幣、翅痣與飛機(jī)的減震裝置、平衡棒與振動(dòng)陀螺儀等。 (3) 昆蟲的腹部與仿生蝗蟲的產(chǎn)卵器和鉆井裝置、腹節(jié)的構(gòu)造與套筒裝置、腺體系統(tǒng)與火箭 設(shè)計(jì)等。 (4) 昆蟲的生理與仿生幾丁質(zhì)與仿生材料、彈性素與彈跳鞋、肌肉發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池、 昆蟲的泌絲與人造纖維等。 (5) 昆蟲的行為與仿生昆蟲的飛行與蟲形飛機(jī)、昆蟲的巢穴與建筑、蜜蜂巢房的結(jié)構(gòu)與 仿生、 昆蟲的發(fā)音與仿生、昆蟲的發(fā)光與仿生、昆蟲的化學(xué)通訊與仿生、毛蟲的行走與戰(zhàn)地 越野車、尺蠖的行走與新型坦克、蜜蜂的訪花與電子蜜蜂等。 此處，僅以翅的結(jié)構(gòu)

4、、飛行動(dòng)力學(xué)為例簡(jiǎn)單介紹一下蟲型飛機(jī)方面的仿生學(xué)進(jìn)展。 一、蟲型飛機(jī)的概念 昆蟲是動(dòng)物界中最早獲得飛行能力的類群， 也是無(wú)脊椎動(dòng)物中惟一具翅的類群， 其高超 的飛行技巧時(shí)常使自認(rèn)為萬(wàn)物之靈的人們愧嘆弗如。 吳承恩筆下的齊天大圣孫悟空會(huì)七十二 般變化， 一個(gè)筋斗能翻十萬(wàn)八千里， 騰云駕霧、 上天入地， 好不自在！ 但在吳大師的心目中， 孫悟空顯然不如蝴蝶那么瀟灑，在描述孫悟空所變的蝴蝶時(shí)，他這樣寫道： “一雙粉翅，兩 道銀須。乘風(fēng)飛去急，映日舞來(lái)徐。渡水過(guò)墻能疾俏，偷香弄絮甚歡娛。體輕偏愛(ài)鮮花味， 雅態(tài)芳情任卷舒。 ”從這些描寫中，我們不難看到到他對(duì)蝴蝶翩翩起舞的羨慕之情。的確，

5、 每當(dāng)春暖花開、 萬(wàn)象生煙之際， 美麗的蝴蝶雙雙對(duì)對(duì)在花間款款飛舞， 不免使人頓發(fā)希望自 己也能像蝴蝶那樣自由飛翔的感慨。 人類渴望了上百萬(wàn)年的飛天夢(mèng)，直到 1903 年，美國(guó)的萊特兄弟成功地進(jìn)行了動(dòng)力載人 飛行的那一刻才真正成為現(xiàn)實(shí)。在此后的 100 多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一 直是航空研究領(lǐng)域的主流。但是， 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，隨著微電子、微電子機(jī)械系統(tǒng)、微 型照相機(jī)、 微型紅外傳感器、 微型檢測(cè)器和計(jì)算機(jī)芯片等技術(shù)的飛速發(fā)展， 飛行器的設(shè)計(jì)又 始出現(xiàn)向小型化、微型化發(fā)展的趨勢(shì)。 蟲形飛機(jī)是一類特殊的微型飛行器， 它不是簡(jiǎn)單的普通飛機(jī)的微型化， 而是一類高度

6、集 成化的智能機(jī)器人。因此，該類飛行器又被稱為飛行機(jī)器人、機(jī)器蟲、微機(jī)械飛蟲、多型電 機(jī)蟲等。按照蟲形飛機(jī)的權(quán)威，美國(guó)佐治亞技術(shù)研究所 RobertMichelson 博士等的定義， 蟲形飛機(jī)指用人造肌肉技術(shù)制造的能短距離平飛并定位著陸的機(jī)器人化微型飛行器。 本文中的蟲形飛機(jī)是指體積像昆蟲一樣大小的飛行器，也就是廣義的蟲形飛機(jī)。 微型飛行器的概念， 是美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的研究人員首次提出的。 1992 年， 美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃屬就開始進(jìn)行這方面的論證工作，并把它們的尺寸規(guī)定在 15 厘米以下， 重量 10~100 克， 有效載荷 1~18 克， 巡航速度 30~6

7、0 千米 / 小時(shí)， 續(xù)航時(shí)間 20~60 分鐘，航程大于 10 千米，最高飛行高度可達(dá) 150 米。這種飛行器具有導(dǎo)航及通信能力，可用 手?jǐn)S或飛機(jī)操縱，具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能，能一次性或多次性使用。近年來(lái)， 這方面的研究取得了可喜的成果。 2000 年7 月， 美國(guó)專利局還為 Michelson 所發(fā)明的多型電 機(jī)蟲注冊(cè)了專利，這意味著蟲形飛機(jī)將從實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入商業(yè)化階段。 二、蟲形飛機(jī)的用途 蟲形飛機(jī)具有自主飛行、 攜帶任務(wù)載荷執(zhí)行特定任務(wù)、 通信及傳輸信息等基本特征。 由 于微型飛行器具有體積小、重量輕、隱蔽性好、功能強(qiáng)、攜帶方便等特點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng) 域，都具有

8、十分誘人的應(yīng)用前景。 在軍事方面， 這些機(jī)器蟲在空中飛行， 不僅肉眼很難發(fā)現(xiàn)， 就是雷達(dá)探測(cè)器也很難探測(cè) 到，即使被“看”到，也可能會(huì)誤認(rèn)為是一只普通的昆蟲。甚至這種飛行器飛入房間、停在 墻上也不會(huì)引起人們的注意。 所以， 蟲形飛機(jī)能完成一些大型武器所不能完成的任務(wù)， 如用 于街道密集、高樓聳立的城市作戰(zhàn)時(shí)，對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視、 監(jiān)聽和跟蹤； 像一只蜜蜂鉆到 敵方的指揮部、 情報(bào)室內(nèi)竊聽軍事機(jī)密， 收集視覺(jué)、化學(xué)和生物情報(bào)， 然后把這些準(zhǔn)確的情 報(bào)送回操作者手中； 在倒塌的建筑中尋找幸存者或偵查藏匿在深山中的恐怖分子的動(dòng)向； 也 可用于清掃戰(zhàn)場(chǎng)、檢測(cè)有毒化學(xué)物品；還可以攜帶高能炸

9、藥引爆彈藥庫(kù)，炸毀坦克、大炮、 飛機(jī)， 甚至飛入設(shè)在地下的敵方指揮部， 炸死那些正在地圖前指揮作戰(zhàn)的將領(lǐng)們。 這一切都 令敵方防不勝防。此外， 它們還可以用作雷達(dá)干擾器。當(dāng)蟲形飛機(jī)飛至雷達(dá)附近時(shí)，對(duì)雷達(dá) 進(jìn)行有效的干擾。一些發(fā)達(dá)國(guó)家軍方為此投入了大量的人力物力，以期取得戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。 當(dāng)然，蟲形飛機(jī)還可用于野外勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)、科學(xué)探險(xiǎn)、航空攝影等工作。比 如，監(jiān)視和消滅害蟲或?yàn)檗r(nóng)作物授粉、跟蹤野生動(dòng)物群、巡邏牧場(chǎng)、監(jiān)控道路交通、在高聳 的煙囪上測(cè)量廢氣排放量、監(jiān)測(cè)溢出化學(xué)物的濃度、監(jiān)視犯罪團(tuán)伙等等。不僅如此，蟲形飛 機(jī)在醫(yī)學(xué)上的用途更大。負(fù)責(zé)研制機(jī)器蠅的 Fearing 博

10、士，曾設(shè)想用蒼蠅大的蟲形機(jī)器人進(jìn) 行人體腔內(nèi)手術(shù)；當(dāng)然也可直接從經(jīng)口或鼻孔進(jìn)入胃中， 就像 《西游記》 中的孫悟空變成蠅 子進(jìn)入鐵扇公主肚子里那樣。有的科學(xué)家甚至建議，將蟲形飛機(jī)“派往”龍卷風(fēng)中心，了解 龍卷風(fēng)的成風(fēng)機(jī)制。 如果上述設(shè)想都能實(shí)現(xiàn)的話， 那么， 蟲形飛機(jī)將給科學(xué)研究和人們的生 活帶來(lái)多么大的方便。 三、蟲形飛機(jī)的類型 近年來(lái)，各國(guó)的研究者們?cè)O(shè)計(jì)出多種蟲形飛機(jī)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和飛行原理，大致分為 類。 1. 無(wú)翼蟲形飛機(jī)智能控制的無(wú)翼蟲形飛機(jī)是近年來(lái)頗受重視的方向，美國(guó)、法國(guó)、日本 等均有人在研究。 2. 固定翼蟲形飛機(jī)從傳統(tǒng)的固定翼蟲形飛機(jī)演變而來(lái)， 在目前眾多的設(shè)

11、計(jì)模型中尚占有 一定比例。如美國(guó) AeroVironment 公司的 BlackWidow 、 Sanders 公司的 MicroStar 等。 后者曾被美軍用于阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵可以通過(guò)便攜式電腦的畫面，操縱“微星” 偵察機(jī)，偵察前方 5 千米的情況。 3. 旋翼蟲形飛機(jī)從傳統(tǒng)的直升飛機(jī)演變而來(lái)。主要以美國(guó) Lutronix 公司的 Kolibri 、斯 坦福大學(xué)的 Mesicopter 等為代表。 我國(guó)上海交通大學(xué)薄膜與微細(xì)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任蔡炳初教 授及其合作者研制的雙螺旋槳微型飛機(jī)即屬此類。 德國(guó)前些年就已研制出只有黃蜂般大的直 升機(jī)。 4. 撲翼式蟲形飛機(jī)模擬昆蟲

12、飛行設(shè)計(jì)而成。 嚴(yán)格地說(shuō)， 只有這類微型飛行器才能稱為蟲 形飛機(jī)。 1998 年初，加利福尼亞大學(xué)以 Fearing 博士為首的實(shí)驗(yàn)室，開始研制一種撲翼式 蟲形飛機(jī)叫“機(jī)器蠅” ，這種蟲形飛機(jī)只有普通蒼蠅大，樣子也像蒼蠅。這種蟲形飛機(jī)重約 43 毫克，直徑為 5~10 毫米。 目前美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃屬有 10 余項(xiàng)蟲形飛機(jī)大型研究計(jì)劃在進(jìn)行， 包括了 上述 4 大類蟲形飛機(jī)。 四、蟲形飛機(jī)的研制難點(diǎn) 蟲形飛機(jī)微型飛行器不同于傳統(tǒng)概念上的飛機(jī)，它是微電子機(jī)械系統(tǒng)集成技術(shù)的產(chǎn)物。 過(guò)去 20 年的研究表明，開發(fā)一種像昆蟲一樣的飛機(jī)絕非易事。在研制方面的困難主要有三 大個(gè)方

13、面。 1 ．氣動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)于大型固定翼和直升飛機(jī)的設(shè)計(jì)已是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，但這些方法 在用于蟲形飛機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)均告失敗。 如果按傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算， 昆蟲升力遠(yuǎn)小于昆蟲的重 力， 理論上昆蟲不能飛行。 顯然用以往的常定的、 非定常流體力學(xué)原理不能解釋昆蟲的飛行， 而用于大型飛機(jī)設(shè)計(jì)的方法也無(wú)法應(yīng)用于蟲形飛機(jī)的設(shè)計(jì)， 特別是無(wú)法用于撲翼型蟲形飛機(jī) 的設(shè)計(jì)。所以，研究昆蟲的功能形態(tài)學(xué)、飛行動(dòng)力學(xué)一直是近年來(lái)各國(guó)學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。 2 ． 微型動(dòng)力既能裝在微型飛行器內(nèi)， 又要能儲(chǔ)備足夠的能量， 除維持飛行器的飛行外， 還能對(duì)機(jī)載設(shè)備提供能源。近年來(lái)，西英格蘭大學(xué)( Universityoft

14、heWestofEngland )的 研究者正在進(jìn)行一項(xiàng)研究， 希望能發(fā)明一種方法， 讓微型飛行器也能像鳥類和蜜蜂那樣， 靠 自己攝取食物來(lái)產(chǎn)生能量， 以便成為一種新型的、 獨(dú)立工作的機(jī)器人。 該小組已經(jīng)研制了一 種使用生物燃料電池的機(jī)器人。 這種機(jī)器人是通過(guò)微生物燃料細(xì)胞提供動(dòng)力， 而微生物燃料 細(xì)胞能消化死蒼蠅及腐爛的蘋果等。 這樣微生物燃料電池就能作為一個(gè) “軟系統(tǒng)” 來(lái)加以使 用，以驅(qū)動(dòng)蟲形飛機(jī)。 3 ．自動(dòng)控制系統(tǒng)因?yàn)檫@種飛行器與無(wú)線電遙控飛機(jī)模型完全不同，需要自主飛行。澳 大利亞國(guó)立大學(xué)的一個(gè)科研小組在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)對(duì)幾種昆蟲的研究已經(jīng)研制出蟲形 飛機(jī)，它們

15、有蜻蜓的靈活和敏捷，蜜蜂一樣的定位準(zhǔn)確?？茖W(xué)家根據(jù)蜻蜓、蠅子、蜜蜂等昆 蟲的復(fù)眼構(gòu)造研制出的電子復(fù)眼模型， 可以通過(guò)測(cè)量紫外光和綠光的分布保持水平飛行， 從 而解決了在火星過(guò)于稀薄的大氣中平穩(wěn)飛行的問(wèn)題。 而導(dǎo)航問(wèn)題的解決則得益于對(duì)蜜蜂的研 究，火星上沒(méi)有 GPS 系統(tǒng)，也沒(méi)有可以判斷方向的磁場(chǎng)，所以地球上常用的導(dǎo)航方法到火 星上便失去了作用， 而蜜蜂是使用天空中的磁偏振圖形、 陸地標(biāo)志、 飛行距離相結(jié)合來(lái)導(dǎo)航 的。 2003 年，這個(gè)研究小組研制出了成熟的、有實(shí)用價(jià)值的導(dǎo)航傳感器， 2004 年，又對(duì) 這種小型飛機(jī)做出了最終測(cè)試， 并計(jì)劃讓這些蟲型飛機(jī)在 2007 年探測(cè)火星 M

16、arineris 峽谷 中的巖石結(jié)構(gòu)。 此外尚有機(jī)載設(shè)備微型化、 用于數(shù)據(jù)傳送的電源、 飛行穩(wěn)定性操縱性與控制技術(shù)等方面 的挑戰(zhàn)。 五、昆蟲學(xué)家的可能貢獻(xiàn) 蟲形飛機(jī)的研制是典型的重大高科技仿生學(xué)工程， 需要昆蟲學(xué)、 自動(dòng)化、 電子學(xué)、 力學(xué)、 機(jī)械制造、神經(jīng)學(xué)、控制論等多學(xué)科的密切協(xié)作。 在昆蟲學(xué)方面應(yīng)該系統(tǒng)地研究具翅昆蟲不同分類階元 (目、 亞目或總科級(jí) )代表種翅的結(jié) 構(gòu)、類型，測(cè)量各代表種體的長(zhǎng)寬、體干重、活體重、翅的長(zhǎng)寬及面積、革片長(zhǎng)度、厚度與 面積， 分析各被測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性； 解剖翅運(yùn)動(dòng)相關(guān)肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)的拓?fù)湫螒B(tài)， 分析期能量 供應(yīng)機(jī)制； 測(cè)定和觀察各代表種在自

17、由飛行及吊飛情況下的翅振頻率、 翅振幅度、 翅面扭轉(zhuǎn) 及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；測(cè)量各代表種體的飛行距離、飛行時(shí)間和飛行速度等。 昆蟲飛行遠(yuǎn)比我們從外表所看到的復(fù)雜得多。 科學(xué)家們對(duì)昆蟲飛行的空氣動(dòng)力學(xué)的研究 表明， 昆蟲飛行時(shí)并不是無(wú)規(guī)則地隨意擺動(dòng)其雙翅， 而是每次振翅都力求獲得空氣動(dòng)力學(xué)上 的最佳效率。 如郡王蝶在飛行中不時(shí)地故意扇動(dòng)翅膀造成渦流， 以達(dá)到增加額外浮力的目的。 在高速攝像機(jī)的幫助下，研究者發(fā)現(xiàn)了蝴蝶上下翻飛、旋轉(zhuǎn)翅膀、在空中保持不動(dòng)等 6 種 不同的模式；在效率方面，蝴蝶翅膀產(chǎn)生的浮力至少是目前最先進(jìn)的飛機(jī)的 10 倍。 能飛之昆蟲種類繁多， 翅的類型不一， 飛行時(shí)起主要作

18、用的翅情況各異， 因此系統(tǒng)地研 究翅的功能形態(tài)與飛行的關(guān)系非常必要。 譬如， 僅昆蟲的個(gè)體間大小差別就很大。 現(xiàn)生的最 大的蛾子是產(chǎn)于中、南美洲的強(qiáng)喙夜蛾 Thysaniaagrippina ，其翅展可近達(dá) 320 毫米，亞力 山大鳳蝶 Ornithopteraalexandrae 的翅展可達(dá) 300 毫米；產(chǎn)于我國(guó)南部的烏桕大蠶蛾 Attacusatlas 的翅展可達(dá) 300 毫米，身體最粗壯糞蜣身體的直徑可達(dá) 50 毫米，巨犀金龜 Dynasteshercules 的體長(zhǎng)達(dá) 180 毫米。而最小的一些寄生性的膜翅目昆蟲成蟲的體長(zhǎng)在 0.2 毫米以下； 不同大小的昆蟲飛行時(shí)空氣動(dòng)

19、力學(xué)狀態(tài)會(huì)有一定變化。 另外， 有些昆蟲用兩對(duì)翅 飛，有的用一對(duì)前翅或一對(duì)后翅飛；有的白天飛，有的夜里飛；有的在飛行中捕食，有的在 飛行中交尾； 有的能倒飛， 有的能懸飛。 深入研究各類具有飛行能力昆蟲的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制， 能為蟲型飛機(jī)的研制提供必要的科學(xué)依據(jù)。 國(guó)際上的科學(xué)家、戰(zhàn)略思想家和未來(lái)學(xué)家們認(rèn)為： “五種常常重疊的技術(shù)最有可能在今 后 15-20 年使軍隊(duì)發(fā)生革命性的變化。這五種技術(shù)為：機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)的動(dòng)力與推進(jìn)技 術(shù)、微型化技術(shù)、移動(dòng)和自適應(yīng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、飛速發(fā)展的生物科學(xué)。 ”仿生蟲形飛機(jī)的研制正 屬這一范圍。 我國(guó)科學(xué)家始終注意蟲型飛行器的發(fā)展動(dòng)態(tài)， 并開始這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究 工作。 但總體而言， 我國(guó)在這方面的研究與國(guó)外相比尚有一定差距， 尤其是實(shí)踐方面更是如 此。 我們只有面對(duì)這些挑戰(zhàn)， 采取科學(xué)求實(shí)的態(tài)度解決這些問(wèn)題， 才能最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)蟲形飛 機(jī)研制的跨越式發(fā)展。 我們有理由相信， 隨著人們對(duì)昆蟲飛行技巧的了解， 制造像昆蟲那樣 自由飛翔的蟲形飛機(jī)將來(lái)一定成為現(xiàn)實(shí)。