鱼尾摆与扑翼的仿生建模.doc

1、1鱼尾摆与扑翼的仿生建模作者 段霄驰包钢一中 内蒙古 包头市 014010摘要仿生学的诞生与发展加快了人类探索未知世界的步伐，人类在仿生学的诸多领域取得了非常骄人的成绩，其中尤以仿鱼、仿鸟的研究最为久远，也最为广泛。上世纪初美国的莱特兄弟发明了飞机，人类的飞天梦得以实现，仿生研究开始进入了实质性的理论研究阶段。实际上，人类的仿生行为由来已久，摇橹摆渡，放飞风筝，都是仿生学的杰作。不过，仿生学的真正兴起却始于上世纪六、七十年代，由于交通运输的需要，由于军事的需要，极大的推动了仿生学的研究, 空气动力学、流体力学就是在这样的环境背景下快速发展，并逐渐趋于完善。目前，固定翼飞行器、旋翼飞行器、大型舰

2、艇船只的推进技术已经比较成熟，但扑翼飞行器与仿生鱼的研究还有待于进一步探究。本文从鱼和鸟的运动机能出发，着眼于鱼游动与鸟飞行的动力原理，提出全新的建模理念：（1）鱼尾摆与扑翼应为弹性结构，而非一些专利文件和相关资料所述的刚性或柔性结构；（2）建立简单可行的数学、物理模型；（3）创建应用模型，构造新的驱动模式，进行优化仿生；（4）仿生就是仿形、仿理、仿自然。本文拟将通过分析鸟和鱼的运动机理，从理论和实践两方面对鱼尾摆和扑翼的仿生建模进行阐述，力求在仿生领域独树一帜，引领潮流.关键词 鱼尾摆；扑翼；弹性；建模；优化仿生 一仿生学概述什么是仿生学？仿生学仿什么？怎么仿？仿生学就是模仿生物的某种构造和

3、功能，用来提高工程技术的综合指标和性能。模仿蜻蜓、苍蝇的视觉原理，我们发明了电子复眼；模仿海豚、蝙蝠的探物机理，我们发明了声纳雷达；模仿鸟的飞行效果，我们发明了飞机（包括固定翼飞机，旋翼飞机和扑翼飞机） 。但人类在仿生学的进程中并非一帆风顺，一路凯歌。我们知道，鱼、鸟、蜻蜓是没有思维能力的，它们游动、飞行、视物都是出于自然的本能反应，而自然本能的东西应该是最简单、最直接、最省时省力的方式。仿生就是模仿生物的形态、构造等几何属性，就是模仿生物的运动变化机理，就是模仿生物自然本能的东西，简言之就是仿形、仿理、仿自然。二仿生建模的意义仿生建模对生产实践有着非常广泛非常重要的指导意义。由于牛顿三大运动

4、定律的产生,我们对世间万物有了较为清晰较为深刻的认识;由于爱因斯坦相对论的提出,我们感知了茫茫宇宙的奥妙无穷。牛顿三大运动定律从力学角度精2辟的概括了物体运动的本质规律,对人类认识世界改造世界起到了巨大的推动作用.而相对论的提出又让我们对未知世界充满了好奇,让我们遐思神往.不过,体现牛顿运动定律和爱因斯坦质能方程的数学模型却极其简单。牛顿第二运动定律：，其中是物体的质量，是物体在运动方向上所受的力，是物体运动的加速度。这个方程所表达的意义是：物体在运动过程中的加速度与物体所受的力的大小成正比，与物体的质量成反比。再看爱因斯坦的质能方程：，其中是物质质量，是光速，是物质所具有的能量。质能方程2m

5、cE说明，质量和能量是不可分割而联系着的，一方面，任何物质系统既可用质量m 来标志它的数量，也可用能量 E 来标志它的数量；另一方面，一个系统的能量减少时，其质量也相应减少，另一个系统接受而增加了能量时，其质量也相应地增加. 正是根据这些经典理论，工业革命得以迅猛发展；正是根据这些经典理论，我们迎来了原子能的时代。仿生建模的意义在于，一是把现实世界中普遍存在的规律性的现象高度抽象概括，归纳出一般性的结论，给出物理（材料、力学） 、数学（几何、代数）模型，二是用一般性的结论（性质、定理、公式、方程等）去指导生产实践。而力学模型的给出必须高度依赖牛顿三大运动定律（一般的运动物体达不到光速，也不可能

6、跌入黑洞，相对论在这里还派不上用场） ，脱离了“牛三”定律去研究运动现象，就像建高楼没有打桩一样，是很不靠谱的。数学模型的建立，一要解释证明相应的物理现象、物理规律，二要指导生产实践，建模应建立在应用的基础上。因此仿生建模必须有高度的概括性，简单明了，直指要害,同时要有较强的可操作性（包括设计、加工、生产） ，能直接应用于生产实践。三建模从应用的角度看，仿生建模应该解决好两方面的问题，一是模型的物理属性（材料力学性能、运动力学原理） ，二是模型的数学属性（包括几何形状、代数表征） ，二者缺一不可。鱼在水中游动，鸟在天上飞行，一个在水里，一个在天上，看似两不相干，实则紧密相连。我们知道鱼在水中畅

7、游是由尾鳍的摆动提供动力，而鸟在天空翱翔则是翼翅的扑动所致，它们的力学原理是相同的，都和流体力学有着密切3的关系。不论是建筑业，还是制造业，还是科学研究，材料学已经成为我们的主流学科渗透到各行各业，研究仿生学更要研究材料。在已经公开的一些资料及已经上市的一些产品中，扑翼飞行器的翼翅与仿生鱼的尾鳍主要采用了两种结构：一种是刚性结构（运动过程中基本没有形变） ，一种是柔性结构（运动过程中形变较大） 。这两种结构的扑翼飞行器和仿生鱼有的能升空飞行，能在水中游动，但效果不理想，可操作性较差。如加拿大一位博士制作了一个翼展 32 米的扑翼飞机，叫做雪鸟，利用拖车牵引升空后，在人工操作下使翼翅振动，滞空时

8、间19.3 秒，飞行距离达 100 米。这种飞行显然是失败的。首先是设计理念出了问题，这种设计没有理解鸟升空的动力从何而来，没有理解好“扑”的含义。鸟确实需要通过扑动翼翅提供飞行动力，但动力并不是在“扑”的那一瞬间产生的，而是随着鸟翼的扑动，翼翅后端的羽毛以翼翅的前端为轴做往复运动，羽毛由于空气的反作用力产生形变，由形变而产生弹性势能，最后把弹性势能转化成动能，驱动鸟向前飞行（鱼的游动与此相同） 。另外， “雪鸟”飞行的时间和距离并不是人工“振动”翼翅所致，而是在惯性的作用下就像一架滑翔机一样滑翔了一段时间，滑翔了一段距离。有很多观点都认为鸟的飞行是由鸟翼的上下扑动提供了动力(这是显然的),也

9、给出了许多参数方程,但这些观点的共同之处是没有清晰明确的给出鸟飞行的力学模型,没有指明鸟前飞动力的来源,上升动力的来源。如航空动力学报第 22 卷第 8 期题为扑翼微型飞行器飞行姿态模型研究所诉观点，认为鸟之所以能向前飞行，是因为鸟的翼翅在扑动过程中使鸟获得了向前的“冲力” ，而何为“冲力” ， “冲力”从哪儿来却没有解释；该文还认为鸟的翼翅在下扑时获得的升力为正，上扑时获得的升力为负，由于在一个扑动周期内下扑时间大于上扑时间，所以鸟在一个扑动周期内获得的平均升力为正。而对于升力到底是怎么产生的，也没有做出明确的解释。还有东南航空航天大学金晓怡博士在仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考一文中

10、提出了低雷诺数问题，非定常微分方程问题，翅变形问题，但也没有明确的给出扑翼飞行的物理、数学模型。实际上鸟飞行的力学模型主要有两个，一个是牛顿第三定律作用力与反作用力定律，一个是伯努利流体力学定律。下面，我们对鸟翼扑动一个周期4的各个阶段的受力情况做一分析。我们可以把鸟的翼翅看做一个弹性面 ,如图 1 所示。鸟翼在扑动过MNCO程中，翼翅以翼根为轴上下扑动，相当于弹性面 绕 x 轴上下摆动，此时，翼面 内的线段 会随着翼面的扑动而发生形变，正是这种形MNCOAB变使鸟获得飞行的动力，翱翔于蓝天之中。图 1为了便于分析，我们把翼翅的实体（骨骼和肌肉）部分叫做翼骨，把翼翅的羽毛部分叫做翼膜。鸟飞行时

11、升高和前飞的动力就是由这两部分分别提供的，当然这两部分的实际界限未必很分明，但不会影响我们对它的受力分析。我们以一根羽毛为例来说明鸟前飞的动力是怎么产生的。如图 2 所示，是鸟翼扑动一个周期一根羽毛运动的 12 个阶段。图 2图 2 中，1 是鸟翼的剖面图,O 是翼翅前缘的一个端点,线段 OA 对应于鸟翼的翼骨,AB 是对应于翼骨 OA 的一根羽毛。图 2 中 1 是静态时翼翅剖面图，2 是由5静态（平衡位置）开始下扑的一刻，3 是继 2 后的下扑过程，4 是由 3 继续下扑到极限位置；5 是由下扑极限位置 4 开始上扑的一刻，6 是继 5 后的上扑过程，7 是由 6上扑到平衡位置；8 是由

12、7 的平衡位置开始上扑，9 是由 8 继续上扑的过程，10 是由9 上扑到极限位置；11 是由上扑的极限位置 10 开始下扑的一刻，12 是由 11 继续下扑的过程，13 是由 12 下扑到平衡位置,完成一个扑动周期。从周期角度讲,翼翅从 1运动到 13 的那一刻已经完成一个扑动周期,因此,13 不能算一个扑动周期内的一个阶段,它只能算一个扑动周期结束,下一个扑动周期开始的一个时间“点”,不过这一“点”很重要,因为这一“点”并不是静止状态下的平衡位置,飞行过程中的平衡位置 13 羽毛仍然有形变,仍然具有弹性势能。图 2 中从 1 到 13 正好是鸟的翼翅完成一个扑动周期羽毛 AB 的随动效果图

13、，我们可以清楚地看到，当鸟翼完成一个上下扑动周期时，每一根羽毛也完成一个运动周期，而正是羽毛的这种周期运动产生了推力，使鸟向前飞行，在向前飞行的同时由于流经翼翅上下方的空气流速不同而产生了升力，使鸟始终保持在一定的高度飞行。鸟翼在扑动过程中，羽毛对空气有作用力，空气对羽毛有反作用力，扑翼的过程就是作用力与反作用力相互作用的的过程。假想一个扑动周期是鸟在稳态飞行中完成的，从上面分析的羽毛运动过程看，除了在两个极限位置 4 和 10 羽毛没有形变外，其它任何位置羽毛都有不同程度的形变。鸟翼从开始扑动的那一刻起，羽毛 AB 发生形变，羽毛外端 B 及附近的羽毛弹性系数小，形变大，积蓄的弹性势能小；羽

14、毛的内端 A 及附近的羽毛弹性系数大，形变小，积蓄的弹性势能大。在整个扑动过程中，羽毛由于形变而产生弹性势能，弹性势能通过羽毛的端部 A 传给翼骨，由翼骨通过翼根传给鸟体，推动鸟向前飞行。我们来看翼翅扑动过程中某一时刻一根羽毛在某一点的受力情况。除图 2 中的 4和 10 外，产生形变的羽毛 AB 弧上的任意一点的法向直线（与该点处的切线垂直）与飞行方向的夹角始终小于 ，如下图中 AB 弧上的点 P，其受力状态如图所示：90图 36图 3 中直线 l 是经过点 P 的 AB 弧的切线，羽毛在点 P 处对空气有一个垂直于直线 l 的法向作用力 ,空气在点 P 处对羽毛有一个反作用力 （ 使羽毛发

15、生弹性FF形变而储备了弹性势能，显然 = ） ， 在飞行方向 MN 上有一个分力 。在一F个扑动周期中，除图 2 中的 4 和 10 两个极限位置，在点 P 处始终存在一个指向飞行方向的分力 ，在羽毛 AB 段上的各点也都有指向飞行方向的分力，在整个翼膜上各点处也都有指向飞行方向的分力，所有这些分力的和就是鸟向前飞行的动力。根据牛顿运动定律，我们可以给出鸟向前飞行的三个力学模型： ; ； Fma 。其中是作用力与反作用力的模型, 是翼翅对空气的作用力， 是空fFF气对翼翅的反作用力；是鸟加速飞行的力学模型， 是鸟的质量， 是鸟受到的m向前的动力， 是飞行的加速度；是鸟匀速飞行的力学模型， 是鸟

16、受到的向前a的动力， 是空气对鸟的阻力。只要扑动开始，羽毛 AB 就基本处在形变状态中（图f2 中 4 和 10 两个极限位置除外） ，这种持续的形变源源不断地向鸟提供前飞的动力，而在一个扑动周期中，显然中的 在铅直方向上分力的代数和为零，整个翼膜上F各点的“ ”在铅直方向上分力的代数和也为零。F下面我们来分析扑翼飞行器（鸟）在飞行中的升力是怎么获得的，我们分起飞和飞行中两种状态来分析。图 4鸟在站立时的姿态如图 4 所示，翼翅的前端高于后端，鸟在起飞时快速扑动翼翅，产生一个与身体轴向 BAO 方向相同的力 ， 在铅直方向的分力使鸟升空，在水F平方向的分力使鸟前飞。升空后鸟会自主调整身体，使其

17、身体轴与水平方向平行，进入图 2 所示的飞行状态。7图 5当鸟水平向前飞行时，由于翼翅的弧面效应，流经翼翅上表面的气流速度快于流经翼翅下表面的气流速度，根据伯努利流体力学定律，流体速度快则压强小，速度慢则压强大，因此，气流经过翼面时，翼翅下表面所受到的压强大于上表面所受到的压强，从而产生一个压力差，就是这个压力差使鸟保持在一定高度飞行。我们可以从鹰的飞翔中看到这一点。当鹰在猎物时会快速扑动翼翅，提高飞行速度，而当鹰在高空盘旋时，只需伸展两翼，借助飞行的惯性，甚至借助空气的流动，就可以长时间地盘旋在空中。这充分说明在飞行过程中， “扑翼”并不是鸟升空（或保持一定高度飞行）的直接原因， “扑”使鸟

18、获得向前飞行的动力，在向前飞行的过程中通过两翼产生升力（推升比小于 1，性能越好，推升比越小） 。图 6根据伯努利定理,我们可以测算出一个飞行器(或一只鸟) 稳态飞行时的升力。我们来看伯努利方程及其中各参数表征的意义：（常数）constpghv21其中， 流体速度重力加速度流体所处的高度（从某参考点计）h流体所受的压强p流体的密度稳态飞行时翼翅上下方压强差： ，根据伯努利定律有：21p80)()(21122112 hgvpghv如果假设翼翅的展开面积为 ，就可以算出其所受升力为：ssF上式仅是扑翼飞行器（或鸟）稳态飞行时平均升力的一个计算公式，更精准的计算应该是给出翼翅断面的曲线方程，或近似的

19、曲面方程，用微积分的知识进行分析计算。不过在实际飞行中情况要复杂的多，过于烦琐复杂的计算未必有多少指导意义和价值。仿生学既是一门理论科学，也是一门实验科学，在已有的理论基础上我们可以进行大量的实验，通过实验检测材料的力学性能，检验飞行原理。下面我们对仿生模型中的刚性鱼尾摆或扑翼做一受力分析。因为扑翼与鱼尾摆的动力原理是相同的，为了便于理解，我们选择刚性鱼尾摆来研究。图 7首先我们以直板刚性鱼尾摆为例分析。如图所示，四边形 OMNC 是刚性鱼尾摆，鱼尾摆运动时，四边形 OMNC 绕摆轴 OM 上下摆动，由于面 OMNC 是刚性的，面内的点没有相对运动，所以我们可以在面 OMNC 内任选一点 Q

20、来分析在一个摆动周期内的受力情况。假设点 Q 在线段 LK 上，L 在摆轴 OM 上。当鱼尾摆 OMNC 绕摆轴 OM 摆动时，线段 LK 绕端点 L 摆动，我们可以分析点 Q 在一个摆动周期内各阶段的受力情况。图 8 是鱼尾摆 OMNC 绕摆轴 OM 运动一个周期平面 OMNC 内的线段 LK 绕端点L 摆动到各个位置的情形。图 8 中位置 1 是静止状态，由静止状态 1 下摆至位置 2，9图 8由 2 继续下摆至位置 3，然后继续下摆到极限位置 4；由极限位置 4 开始上摆至位置5，继续上摆至位置 6，然后到平衡位置 7，完成半个周期的摆动。我们选择半个周期中的位置 3 和 5 做点 Q

21、的受力分析。如图 9：图 9图 9 中位置 3 鱼尾摆向下摆，在点 Q 处对水有作用力 F，水在点 Q 处对鱼尾摆有反作用力 , 在水平方向的分力使“鱼”有向后运动的趋势；图 9 中位置 5 鱼F尾摆向上摆，在点 Q 处对水有作用力 F,水在点 Q 处对鱼尾摆有反作用力 , 水平F方向的分力使鱼有向前运动的趋势。在图 8 中位置 1 到 7 的半个周期中，这种向前、向后运动的趋势总是对称的出现，在整个周期中也是这样的。这说明在一个摆动周期中，鱼尾摆在点 Q 处所受到的反作用力在水平方向和铅直方向分力的代数和都为零。所以，纯刚性的鱼尾摆或扑翼结构是不可能使鱼游动或使飞行器升空的。10同样，纯柔性

22、的鱼尾摆或扑翼结构也不可能使鱼游动或使鸟（飞行器）升空。夏天天热时，我们摇扇纳凉，随着扇子的来回摆动，一阵阵凉爽的风扑面而来，好不惬意。但如果我们取掉扇骨，还能摇扇纳凉吗？一块儿柔软的“扇翼”是无法兴“风” ，更无法作“浪”的。资料显示，有些刚性结构和柔性结构（如蝙蝠的翼翅）的扑翼飞行器能升空飞行，但这些扑翼飞行器的翼翅并非纯粹意义上的刚性结构或柔性结构，它们之所以能升空，说明它们的翼翅结构一定是柔中带刚，或刚中有柔，是有弹性的。通过上述的力学模型分析，我们应该确信鱼尾摆或扑翼飞行器的翼翅应该是弹性结构，在鱼尾摆的摆动或翼翅的扑动过程中，鱼尾摆或翼翅发生弹性形变，正是这种弹性形变向鱼或鸟（飞行

23、器）提供了前进或飞行的动力。四肌肉的结构与力量马拉松运动员的最好成绩是 2 小时零几分，平均每 3 分钟跑 1 千米，这个速度普通人跑一个 1 千米也跑不下来；2008 年北京奥运会博尔特轻松打破 10 0 米世界纪录，让世人侧目；世锦赛很多田径纪录常被刷新。人类还能更高、更快、更远吗？不仅人类在向更高、更快、更远挺进，一些动物更是以其独特的能力让人类望尘莫及，自叹弗如。我们来看一组数据：跳蚤体长仅 2mm，却能跳到 300mm 的高度，是其体长的 150 倍；蚂蚁能衔起其体重 170 倍的食物；猎豹奔跑的速度可达 100 公里每小时；旗鱼游泳的最快速度是 110 公里每小时；海豚可以跃离水面

24、 5 米之多。这些现象说明肌肉的爆发力是非常惊人的，猎豹快速奔跑，海豚高高跃起，都说明肌肉做功的效率很高，这种高效率源于肌肉是一种弹性蛋白质，所有生物的各种运动，包括跑、跳、飞、游，都离不开这种蛋白质。鱼尾的摆动、鸟翼的扑动，都是通过肌肉运动实现的，而鱼之所以能向前游动，鸟之所以能在天空飞翔，就是因为在鱼尾摆动、鸟翼扑动时鱼尾和鸟的翼翅由于形变储备了巨大的弹性势能，这种弹性势能就是鱼和鸟游动、飞行的动力所在。解剖学证明，鱼尾和鸟的羽毛都具有非常好的弹性，结合上述分析，我们更有理由认为鱼尾摆和扑翼应建为弹性模型，只有弹性模型才更切合鱼和鸟的运动机理，也11更切合牛顿运动定律与伯努利流体力学定律。

25、五鱼尾摆、扑翼的结构与材料我们知道鸟翼是由骨骼、肌肉、羽毛构成的，羽毛除了起保温的作用，更重要的作用是飞行，其中在飞行中起主要作用的羽毛叫飞羽。我们来看一下一根羽毛的基本结构，如图 10：图 10从图 10 可以看到，一根羽毛主要由羽根、羽干、羽片构成，羽片由一系列斜着排列的羽枝所构成，羽枝上又斜生着平行的羽小枝，羽枝、羽小枝排列整齐，就像一块儿裁剪整齐的瓦楞纸。飞羽是翼翅后缘着生的一列坚韧而富有弹性的羽毛，牢固地“锚定”在翼骨的后缘。飞行时飞羽随着翼翅的挥动拍击空气产生动力，而羽片瓦楞状的结构又使得羽毛在拍击空气的过程中最大限度地减少了涡流。鱼鳍的结构与羽毛有相似之处，不同的是鱼鳍表面覆盖了

26、一层胶原蛋白，这和鱼的生存环境有关。水的密度远大于空气密度，鱼在水中游动的阻力远大于鸟在空气中飞行的阻力，因此，鱼的游动需要更大的动力，而鱼尾鳍的结构正好满足了这一要求。一般来说，弹性材料的选择应该通过计算先给出理论上的阀值（上限、下限） ，然后根据实际情况分析、选取。功率大，扑动（或摆动）频率高，振幅大的扑翼（或鱼尾摆）应选择弹性系数较大的材料，弹性系数越大恢复形变的速度越快，时间也越短；功率小，扑动（或摆动）频率低，振幅小的扑翼（或鱼尾摆）应选择弹性系数较小的材料，弹性系数越小恢复形变的速度越慢，时间也越长。弹性系数过大或过小都会导致扑翼（或鱼尾摆）无法输出峰值功率。过大，会使扑翼（或鱼尾

27、摆）在扑动（或摆动）的过程中无法产生足够的形变以储备更多的弹性12势能，增加动力损耗，降低机械效率；过小，则会使扑翼（或鱼尾摆）在扑动（或摆动）的过程中形变过度，动力输出被这种过度形变所缓冲，损耗也会很大，同样也会降低机械效率。我们来比较一下金鱼和海豚在水中的表现。金鱼在水中游动，不慌不忙，不紧不慢，往往给人一种舒缓的静态美；海豚在水中游弋，左冲右突，跳跃腾空，则给人一种流畅的动态美。金鱼和海豚的游泳能力为什么会有这么大的差异呢？这应该是由金鱼和海豚尾部的结构决定的，金鱼的尾部又薄又软，弹性系数很小，而海豚的尾部又厚又大，弹性系数很大，所以，同样是鱼尾摆，拨动水的力道却要相差千万倍。因此，模型

28、材料的选择应该慎之又慎，多方考虑，尽可能使材料的弹性形变与翼翅（或鱼尾摆）扑动（或摆动）的频率合拍，与发动机的功率相匹配。六应用模型我们研究鱼尾摆和扑翼的物理数学模型，就是为了能够加工制造出最理想、最有应用价值的仿生模型。无疑，人类在这些方面的探索和尝试是成功的，如固定翼飞机和旋翼飞机的发明，万吨远洋货轮、航空母舰的生产制造，美国微型扑翼飞行器“蜂鸟”的研制成功，都是仿生学的杰作。但由于理论知识的不完善（迄今没有鱼尾摆、扑翼方面系统的理论知识） ，材料选择的有限性，加工制作工艺的不完备，一些仿生产品不仅有瑕疵，甚至存在严重的不足。例如螺旋桨推进器，是我们用了 100 多年的仿生技术（把鱼尾异化

29、为螺旋桨叶片，通过传动轴带动叶片旋转向后推水（或空气）输出动力） ，但到目前为止，螺旋桨推进器轴功率的机械效率只有 30%左右。虽然现在鱼尾摆和扑翼的仿生产品很多，但多数是从形态和原理上进行模仿，于实际应用不一定有太大的意义和价值。本文拟将给出鱼尾摆和扑翼仿生模型的四种驱动方式，七个模型，公诸同好。1.同轴直扑式现在公知的鱼尾摆、扑翼仿生产品中，多数是通过连杆曲轴把发动机的圆周运动转化为往复直线运动，这种驱动方式能量损耗大，机械效率很低，基于此，本文设计了“同轴直扑”的驱动方式，鱼尾摆（或扑翼）的动力由动力轴直接提供，减少了传动环节，机械效率会大幅提升。其结构和驱动原理如图 11 所示。图 1

30、1 中，1 是发动机，2 是转盘，3 是滑杆，4 是扑翼刚性构架，5 是滑套，6 是摆动连接环，7 是拨杆。发动机 1 工作时，带动同轴转盘 2 转动，固定于转盘 2 上的13拨杆 7 随转盘 2 作圆周运动，同时拨杆 7 带动滑套 5 在滑杆 3 上来回滑动，整个翼翅随着上下扑动。这种扑翼方式是翼翅绕翼翅前缘的轴上下扑动，直接产生推力驱动飞行器向前飞行，在前飞的同时产生升力。图 11直扑式扑翼驱动可优化为半固定翼半扑翼模式，将翼骨与翼膜分离，翼骨异化为固定翼，翼膜扑动，可使发动机效率大幅提升。2.同轴压扑式在同轴直扑式的基础上增设一个扑翼轴，利用杠杆原理使翼翅绕扑翼轴上下扑动，如图 12 是

31、同轴压扑式 a 型。图 12图 12 中，1 是发动机，2 是转盘（曲轴） ，3 是拨杆，4 是滑套，5 是摆轴套（轴承） ，6 是摆轴（或扑翼轴） ，7 是滑杆。发动机 1 工作时，带动同轴转盘 2 转动，固定于转盘 2 上的拨杆 3 随转盘 2 作圆周运动，同时拨杆 3 带动滑套 4 在滑杆 7 上来回滑动，滑杆 7 绕摆轴 6 运动，在摆轴 6 与发动机 1 相对的另一侧装设鱼尾摆（或扑翼），当滑杆 7 绕摆轴 6 运动时，另一侧的鱼尾摆（或扑翼）绕摆轴摆动（或扑动） 。图 13 是同轴压扑式 b 型，是鱼尾摆（或扑翼的单侧）结构。14图 13 中，1 是发动机，2 是转盘，3 是固定在

32、转盘 2 上的拨杆，4 是滑套，5 是滑杆，6 是摆轴（或扑翼轴） ，7 是翼骨（高弹性或刚性结构） ，8 是弹性翼膜。发动机 1 工作时，带动同轴转盘 2 转动，固定在转盘 2 上的拨杆 3 驱动滑套 4 在图 13滑杆 5 上滑动，滑杆 5 绕摆轴 6 运动，同时摆轴（或扑翼轴）另一侧的翼骨 7 和翼膜8 绕摆轴 6 往复运动。由于翼膜（或鱼尾摆）在运动过程中发生形变，从而产生弹性势能，驱动鸟（或鱼）飞行（或游动） 。3.旋扑式图 14 是旋扑式 a 型，翼翅（或鱼尾摆）与动力轴转动方向呈法向垂直。图 14图 14 中，1 是旋转轴，2 是鱼尾摆（或扑翼） ，3 是鱼靠近尾部的截面。当鱼尾

33、摆（或扑翼）绕身体轴旋转时，因为鱼尾摆（或扑翼）与轴的转动方向呈法向垂直，会产生形变，而且这种形变是连续不断的，正是这种连续形变向鱼（或鸟）提供了前进的动力。15图 15图 15 是旋扑式 b 型，利用双曲轴原理使翼翅（或鱼尾摆）扑动（或摆动） 。图 15 中，1 是发动机，2 是梁架，3 是曲轴 a,4 是曲轴 b,5 是曲轴套，6 是翼骨，7 是翼膜。曲轴 3 与动力轴相连，当曲轴 3 随动力轴转动时，曲轴 4 随着曲轴 3 的转动而转动，曲轴 3 和曲轴 4 每转动一周，翼翅（或鱼尾摆）完成一个扑动（或摆动）周期。4.扭扑式图 16 是扭扑式 a 型，扑动轴 3 与动力轴 1 在一个平面

34、内，随扑轴 5 与扑动轴 3平行。图 16图 16 中，1 是动力轴，2 是梁架，3 是扑动轴，4 是扑动轴轴套，5 是随动轴，6是随动轴轴套，7 是弹性连接件，8 是翼骨，9 是翼膜。扑动轴 3 与动力轴 1 是一体的，动力轴 1 转动一周，扑动轴 3 和随动轴 5 绕各自的轴线旋转一周，形成两个圆锥面，翼翅完成一个扑动周期。因为扑动轴轴套 4 与随动轴轴套 6 采用了弹性连接，在扑动过程中，翼翅的前缘始终向前，翼翅形变所产生的动力方向也是始终向前的。图 17 是扭扑式 b 型，扑动轴 3 与动力轴 1 成异面直线，动力轴 1 转动一周，扑动轴 3 形成一个双曲面。16图 17图 17 中，

35、1 是动力轴，2 是梁架，3 是扑动轴，4 是扑动轴轴套，5 是翼翅与梁架的连接端，6 是弹性连接件，7 是翼骨，8 是翼膜。由于翼翅与梁架采用弹性活连接，所以动力轴 1 转动一周，扑动轴 3 绕动力轴旋转一周，翼翅完成一个扑动周期，而且扑动过程中翼翅的前缘始终向前。七仿生与优化有一种仿生学的观点认为，在仿生研究或仿生产品中，仿的越像越好，仿的越真越好，比如鸟在飞行时翼翅绕翼根有一定的旋转、扭动，因此有人认为扑翼仿生也得让翼翅旋转、扭动；鸟翼在上扑时会内收折叠，因此有人认为仿生翼也应该伸缩、折叠。这实际是仿生学的一个误区，之所以会产生这样的误区是因为对鸟飞行的力学原理没有搞清，不能清晰明确的给

36、出鸟飞行的物理、数学模型。我们知道，在飞机的设计中是允许有一定的冗余度的，冗余度越大，飞机越容易操纵，越能在恶劣气候条件下飞行。所谓冗余度，就是允许有缺陷，有瑕疵，一些根根叶叶、无关紧要的东西就可以忽略，可以舍弃。鸟在飞行时翼翅旋转、扭动、伸缩、折叠都不是起决定作用的因素，在仿生研究、设计中这些都可以忽略。螺旋桨是仿生应用最久远、最广泛的一种动力装置，几乎所有和流体有关的动力驱动都和螺旋桨密切相关。螺旋桨是仿生学最杰出的作品之一，它能把发动机的轴动力通过螺旋桨叶片的旋转向后推水（或空气）而输出，现在的舰艇、船只、飞机基本上都采用了螺旋桨推进技术。但螺旋桨并不是最理想的仿生产品，其轴功率的机械效率只能达到 30%左右。我们提倡仿形、仿理、仿自然，我们更要提倡仿生中的优化。一样是有翼动物，鹰能翱翔于蓝天白云之间，鸡却只能刨土啄食；一样是鱼，旗鱼能以每小时百公里的速度出击，金鱼却只能在鱼缸里悠哉悠哉。可见并不是有翅便可在天上飞，有尾便能17在水里游。我们研究仿生学，一方面要研究其运行机理，另一方面要进行仿生优化。参考文献：1. 航空动力学报第 22 卷第 8 期扑翼微型飞行器飞行姿态模型研究 ，作者：哈尔滨工业大学段洪君，史小平；2.仿生扑翼飞行机器人研究中若干问题的思考 ，作者： 东南航空航天大学金晓怡，颜景平。2011 年 8 月 24 日