蜂鸟“肌肉”启发微型飞行器：我国学者让10克“翅膀”产生32克升力

当一只蜂鸟悬停在花丛中，翅膀以每秒50次的频率高速扇动时，其翅膀根部的肌肉和弹性组织正巧妙地储存与释放能量，实现高效飞行。受此启发，北京航空航天大学邓慧超团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表研究，开发出一种重量仅10.5克的扑翼升力系统，却能稳定产生31.98克升力——相当于自身重量的3倍。这项突破通过模仿蜂鸟翼根的弹性储能机制，不仅让微型飞行器的净升力提升17.6%，还在同等升力下降低4.5%的能耗，为高机动性微型飞行机器人的应用铺平道路。

微型飞行器的“力量困境”：为何小翅膀难载重任？

在微型飞行器领域，“越轻越难飞”是长期困扰工程师的难题。传统扑翼设计多采用简单的曲柄摇杆机构，翅膀扇动时如同僵硬的“拍板”，不仅升力不足，还会因瞬间冲击力造成能量浪费。比如，某款翼展175毫米的微型飞行器，其升力系统重量往往超过20克，却只能产生不足25克的升力，难以携带传感器等有效载荷。

蜂鸟却能轻松突破这一限制。它们的翅膀根部如同“天然弹簧”，肌肉收缩时储存弹性势能，扇动到极限位置时瞬间释放，既减少能耗又增强动力。研究团队注意到，蜂鸟翅膀扇动角度可达150°以上，而传统机械结构通常只能达到90°，这正是升力差距的关键。

仿生“弹性关节”：给翅膀装上“能量缓冲垫”

为复制蜂鸟的高效飞行机制，团队设计了一套“四连杆+齿轮传动”的复合机构。通过优化曲柄、连杆长度（最终确定为5毫米、12毫米等参数），配合36齿与14齿的齿轮组，将扇动角度提升至154°，接近蜂鸟的自然扇动范围。更关键的是，他们在翼根处安装了弹性储能元件——用0.6毫米直径的尼龙绳模拟蜂鸟的弹性肌腱，在翅膀扇动到最高点和最低点时像拉弓一样储存能量，在中间阶段释放，形成“省力杠杆”效应。

实验中，这种设计展现出显著优势：当弹性绳刚度为0.126 N/mm时，飞行器扇动频率达到峰值，升力提升至31.98克。而没有弹性元件的对照组，升力仅为27克。“这就像人跑步时利用肌腱弹性，每一步都能借力反弹，减少肌肉消耗。”团队解释道。

机翼“量身定制”：从30种方案中找到最佳“翅膀”

光有灵活的“关节”还不够，翅膀的形状和材料同样关键。团队制作了30余种翼型方案，通过风洞实验筛选出最优组合：翼展80毫米、弦长45毫米的翅膀，采用Icarex PC31薄膜材料，配合类似蜂鸟翅膀的静脉纹路（编号6的翼脉布局），能在扇动时产生稳定的前缘涡流（LEV）——这是昆虫和鸟类产生高升力的核心气流结构。

值得注意的是，传统观点认为高 aspect ratio（展弦比）机翼更高效，但团队发现展弦比3.9的机翼表现最佳。“就像蜂鸟的翅膀短而宽，反而能在小空间内快速扇动，产生更强的瞬时升力。”实验数据显示，这种机翼的升力系数达到1.95，超过多数同尺寸仿生翼型。

从实验室到应用：10克升力系统如何改变微型飞行？

经过轻量化设计，整个升力系统重量从初始的2.3克降至1.6克（减重30.4%），翼展175毫米的原型机可携带自身重量3倍的载荷。在悬停测试中，飞行器持续飞行1分钟，展现出稳定的姿态控制能力。未来，这种技术可用于灾后救援侦察、狭小空间检测等场景，甚至为微型快递无人机提供新的动力方案。

研究团队指出，目前弹性元件的刚度匹配和机翼变形规律仍需深入探索。下一步，他们计划将该系统集成到完整飞行器中，测试其在复杂环境下的 maneuverability。正如论文通讯作者邓慧超所言：“蜂鸟进化了数百万年的飞行技巧，仍有许多奥秘等待我们用工程语言解读。”