10克机身如何扛起3倍重量？仿生飞行器的“骨骼革命”

当微型扑翼飞行器试图模仿蜂鸟悬停时，“体重”与“力量”的矛盾始终难以调和——既要机身轻巧以减少能耗，又需结构坚固以承受高频扇动的冲击力。我国北京航空航天大学邓慧超团队在《Frontiers of Mechanical Engineering》发表研究，通过有限元分析与仿生结构设计，将扑翼机构重量从2.3克降至1.6克（减重30.4%），同时实现10.5克升力系统产生31.98克稳定升力的突破。这项“轻量化+强结构”的双重优化，为微型飞行器的长续航与高机动性提供了全新解决方案。

材料选择的“ Goldilocks 困境”：太硬易断，太软变形

传统微型飞行器的机身设计常陷入两难：金属材料强度足够但重量过大，普通塑料轻便却易在高频振动中断裂。例如，某款采用铝合金骨架的扑翼机构，仅结构重量就占总重的40%，导致有效载荷能力不足。

蜂鸟的骨骼结构给了研究者启发——其翼骨中空且密度梯度变化，既减轻重量又保持强度。团队意识到，飞行器的“骨骼”设计同样需要兼顾材料性能与结构拓扑。通过对比7500尼龙与8000树脂的力学特性，他们发现7500尼龙的屈服强度达48MPa，密度却比树脂低36%，是机身材料的理想选择。

有限元“CT扫描”：给飞行器做“骨骼体检”

为找到结构减重的关键部位，团队利用Workbench软件进行有限元分析，如同给飞行器做“全身CT”。应力云图显示，传统机身的最大应力仅0.818MPa，远低于材料屈服强度，存在大量“结构冗余”。据此，他们在低应力区域采用镂空设计，在齿轮啮合处添加加强筋，如同“给自行车车架钻孔减重同时加粗关键承重梁”。

模态分析进一步验证了安全性：优化后的机身一阶共振频率达61.8Hz，远高于52Hz的扇动频率，避免了“共振放大效应”。实验数据显示，轻量化后的机身在承受31.98克升力时，最大应变仅0.0072mm，相当于一根头发丝直径的1/10，结构稳定性显著提升。

弹性“肌腱”+优化“翅膀”：效率提升的双重密码

光有坚固的“骨骼”还不够，升力系统的效率提升同样关键。团队模仿蜂鸟翼根的弹性储能机制，在机翼根部安装0.6mm直径的尼龙绳作为“弹性肌腱”。当翅膀扇动到极限位置时，尼龙绳像被拉伸的橡皮筋储存能量，反向扇动时释放，如同“运动员起跳前的屈膝蓄力”。这项设计使同等升力下的能耗降低4.5%，升力-功率比提升至1.95，超过多数同尺寸仿生翼型。

机翼的“量身定制”同样重要。通过测试30余种翼型方案，团队发现翼展80mm、弦长45mm的Icarex PC31薄膜翅膀，配合特定静脉纹路（编号6布局），能在扇动时形成稳定的前缘涡流——这是昆虫和鸟类产生高升力的“空气动力学秘诀”。风洞实验显示，这种翅膀在52Hz扇动频率下，净升力达飞行器自重的17.6%，足以携带微型传感器完成侦察任务。

从实验室到应用：微型飞行器的“瘦身”革命

目前，该升力系统已通过飞行测试：翼展175mm的原型机在50%油门下可悬停1分钟，产生5.74克净升力。团队指出，未来计划将该结构与机器学习结合，实时预测不同工况下的结构应力，进一步优化材料分布。

业内专家评价，这项研究突破了“轻量化必然牺牲强度”的固有认知，其结构优化方法可推广至无人机、机器人等微型机电系统。正如论文中所述，仿生设计的终极目标不仅是模仿生物外形，更是“读懂自然选择亿万年打磨的力学智慧”。