世界上沒有兩片相同的雪花，樹枝亦然。樹枝的大小、形狀和紋理各不相同，有些可能是濕的，有的布滿苔蘚，有的長(zhǎng)滿枝丫。然而，鳥類幾乎可以在任何一種樹枝上停落。這種能力引起了美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究者馬克·卡特科斯基（Mark Cutkosky ）和大衛(wèi)·蘭亭克（David Lentink）的極大興趣。

Cutkosky實(shí)驗(yàn)室、Lentink實(shí)驗(yàn)室通過深入研究鳥爪的構(gòu)造和著陸機(jī)理，研發(fā)出一套名為“Stereotyped Nature-Inspired Aerial Grasper (SNAG)”的仿生機(jī)械鳥爪系統(tǒng)，并將其安裝在旋翼無人機(jī)平臺(tái)上，構(gòu)造出一個(gè)既能在任何復(fù)雜表面上起降，又能動(dòng)態(tài)抓取不規(guī)則物體的空中機(jī)器人，這一創(chuàng)新對(duì)于鳥類的生物學(xué)研究和無人機(jī)的工程應(yīng)用來說都是極大的突破。

近期，山東先進(jìn)院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)研究中心穆新星博士成功復(fù)現(xiàn)并優(yōu)化仿生無人機(jī)，大幅提高了仿生無人機(jī)的飛行性能，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍，取得了良好的成效。

近年來，無人機(jī)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，仿生無人機(jī)作為二者的結(jié)合產(chǎn)物成為了研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)對(duì)象，由于新穎的外觀設(shè)計(jì)，獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在軍事偵察、科技教育、環(huán)境監(jiān)測(cè)、影視拍攝、流量監(jiān)控、安全巡邏等領(lǐng)域有著廣泛的需求空間。作為一種借鑒生物飛行特點(diǎn)設(shè)計(jì)的新型無人機(jī)，仿生無人機(jī)往往具備可撲動(dòng)的翅膀，可調(diào)節(jié)方向的尾翼等仿生結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1   仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

(a)信鴿生理結(jié)構(gòu)示意圖  (b)翅膀收合結(jié)構(gòu)示意圖  (c)尾翼收合扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)示意圖  (d)仿生鳥爪結(jié)構(gòu)示意圖

通過對(duì)鳥類生理結(jié)構(gòu)所具有的功能原理和作用機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)翅膀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和雙側(cè)獨(dú)立收合結(jié)構(gòu)，尾翼收合和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)自由度進(jìn)一步提高仿生程度，在多自由度仿生結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下，探究結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)仿生偵察機(jī)飛行性能的作用關(guān)系，優(yōu)化仿生結(jié)構(gòu)的能量利用效率，提高機(jī)器人飛行機(jī)動(dòng)能力。同時(shí)，結(jié)合鳥爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探究仿生無人機(jī)降落停歇和自主起飛的自穩(wěn)平衡算法，提高環(huán)境適應(yīng)能力和續(xù)航能力。

圖2   仿生視覺感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

此外，結(jié)合航拍視覺雙軸云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將微型航拍攝像頭集成于機(jī)體頭部，實(shí)現(xiàn)視頻圖像信息的采集，基于視頻消抖的圖像處理算法，提高航拍視頻質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別跟蹤功能（圖2）。

基于博士期間研究成果，穆博團(tuán)隊(duì)已搭建仿生偵察無人機(jī)，其最大續(xù)航時(shí)間≥50分鐘，最大負(fù)載能力≥100g，可搭載GPS、微型航拍攝像頭、圖傳模塊和數(shù)傳模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)航拍偵察任務(wù)（圖3）。

圖3 已搭建仿生撲翼機(jī)器人系統(tǒng)拆解圖

該樣機(jī)參照獵隼實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)外形參數(shù)，考慮了獵隼翅膀弧面特性和撲動(dòng)翅膀折疊特性，設(shè)計(jì)了剛?cè)狁詈匣∶嬲垡斫Y(jié)構(gòu)，由翅膀撲動(dòng)產(chǎn)生前向動(dòng)力和向上的升力，由雙側(cè)尾翼差動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的自穩(wěn)調(diào)節(jié)；同時(shí)借鑒生物間歇撲翼飛行的特點(diǎn)，采用棘輪棘爪的結(jié)構(gòu)變體設(shè)計(jì)了撲滑切換結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)撲翼模式與滑翔模式的自由切換，提高空氣動(dòng)力學(xué)效率。

研究初始階段，無人機(jī)技術(shù)未能在仿生飛行模式下取得突破，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)研，研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從模仿到精進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新和價(jià)值創(chuàng)新。

研究團(tuán)隊(duì)擬對(duì)現(xiàn)有樣機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，縮小無人機(jī)尺寸，采用螺旋槳+撲翼的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，提高整機(jī)的負(fù)載能力和續(xù)航時(shí)間。