近日，工程力学系颜志淼副教授在综合期刊《Advanced Functional Materials》上发表了最新研究成果（Scarab Beetle-Inspired Embodied-Energy Membranous-Wing Robot with Flapping-Collision Piezo-Mechanoreception and Mobile Environmental Monitoring, 2023, 2303745）。第一作者为工程力学系硕士研究生侯开宇。该工作基于体现能量的设计范式，开发了一种具备多功能性的仿甲虫薄膜翼机器人，在实现优异气动特性的基础上增加了传感和供能效果，为设计未来智能扑翼微型飞行器提供了一种新方法。

仿昆虫扑翼飞行器在一系列应用中具有重要前景，包括搜索和救援任务、军事侦察和环境监测。它们的吸引力在于其紧凑的尺寸，出色的机动性，和广阔的运动范围，使它们成为未来微型飞行器发展的焦点。此外，昆虫表现出非凡的飞行特性，包括快速倾斜转弯、翻滚、悬停、被动攻角调整、碰撞恢复和扑翼折叠能力。这些发现为设计具有类似飞行能力的仿生飞行器提供了宝贵的启示。

为了实现特技飞行的更高标准，昆虫的传入神经系统和运动神经系统之间的和谐合作至关重要。在扑翼飞行器的当代设计中，传感器承担着类似于传入神经系统的感官责任，适应各种任务的不同需求。虽然这种方法很简单，但它增加了整体重量，并对系统的供能能力提出了挑战。该研究将智能材料和薄膜翅膀进行集成，提出了一种轻量级的智能膜翼，该扑翼具有空气动力学承重、飞行碰撞传感和供能等多种功能。

该研究仿制了甲虫的半管状前缘结构，可抵抗扑翼运动中的空气动力载荷。受甲虫后翅静脉和翅膜的启发，利用多层材料的热层压，制造了具有翅根区、翅中区和翅前区三个翅膜区域的仿生翼。仿生智能翼作为微型飞行器的压电机械接收器，通过压电材料在三个膜场中的电压信号来感知扑翼频率、扑翼变形和碰撞，从而实现对飞行器姿态的调整（如图1所示）。

图1. 仿生设计和神经感知

仿生薄膜翼的空气动力学性能与真正的甲虫后翼非常相似，该研究进行了上升、稳定飞行、下降、着陆和翻滚实飞测试（如图2），有效升力可以在大多数频率下抵消其重量，扩大的翼展可以在较低的频率下飞行。与此同时，从扑翼运动中收集的能量为机载光强、紫外线等传感器提供动力，用于在化学测绘、污染监测等潜在应用领域实现移动环境监测和环境信号反馈调整。在降噪方面，绷紧的翼膜比传统扑翼飞行器的膜翼产生的拍打噪音更小。此外，自然界中昆虫的飞行降噪非常依赖微观结构，可以为扑翼飞行器的降噪设计提供灵感和启发。

图2. 气动性能演示和供能应用场景

该研究未来将通过智能计算，将实际昆虫运动与相同运动条件下的智能膜翼电压信号相关联，通过神经网络重建昆虫智能。智能扑翼作为智能计算中的感知智能，通过模仿实际昆虫的感知能力，实现对攻角、风速以及多种飞行姿态的本体感知。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303745