主题：仿生扑翼机

Part1:和扑翼机有关的历史故事 展示者：钱徐喆

1.引子
       结合PPT前页关于鸟类与昆虫的飞行振翅动作浅谈扑翼飞行。重点注意解释扑翼飞行的中扑翼运动的复杂性。
2.墨子与公输子造木鹰和木鹊
       文本1：
              墨子为木鸢，三年而成，蜚一日而败。弟子曰：“先生之巧，至能使木鸢飞。”墨子曰：“吾不如为车者巧也。用咫尺之木，不
              费一朝之事，而引三十石之任，致远力多，久于岁数。今我为鸢，三年而成，蜚一日而败。”惠子闻之曰：“墨子大巧，巧为，
              拙为鸢。”
       译文1：
              墨子制造木鹰，花了三年时间制成，但在天上只飞了一日就坠了下来。墨子弟子夸奖墨子的手巧，使木鹰上了天。墨子却说自己
              笨，说自己的手艺不如造车中木的人。造车的人用短小的木，不费一天工夫，就能把很重的东西牵引起来，跑的路多，功效高，
              并且可以使用很长的时间。而我呢，制造木鹰，花费了三年时间，天上只待了一天就失败。有一个叫惠施的，听到了这件事情
              后，盛赞墨子，说墨子高明，认为造功效高，造木鹰则不太实用。
       文本2：
              公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下.公输子自以为至巧.
              子墨子谓公输子曰：“子之为鹊也,不如匠之为车辖,须臾刘三寸之木,而任五十石之重.故所为功利于人谓之巧,不利于人谓之拙.”
       译文2:
              墨子先生对公输子说：“您这做喜鹊的手艺,不如匠人们做车轮（巧）,一会儿削出一个三寸长的木钉,（它）可以承受五十石的重
              量.就是说（所做的事）对人们有利才叫巧,对人们无利叫做笨拙.”
评价：
       真实性有待考究的两个历史故事。
注释：
       故事二提及关于实用性的话题，可以与如今扑翼机有待解决的实用性问题相联系。
3.希腊神话中的振翅飞行
       文本：
              在希腊神话中，雅典人代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯被囚禁在克里特岛。为逃出生天，他们用蜜蜡和鸟的羽毛做成翅膀，绑在身
              上飞向岛外。途中伊卡洛斯忘了父亲的警告飞得太高，导致蜡翼被阳光烤化而坠落大海。
       注释：
            人类在神话中关于飞行的幻想，重点在于羽毛与振翅而飞这一动作。
4.达芬奇所绘制的扑翼机的草图
       他的具体设想为，人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部装有鸟羽的横杵，就像划桨一样扇动空气，推动飞行。他让自己的仆人作了第一次飞行试验，结果摔断了一条腿。
5.意大利术士约翰达米安
       结果不难猜到，幸运的是这位“鸟人”栽倒在墙根下的粪堆里只是摔断了一根腿骨，事后还振振有词地将自己的失败归咎于用了不会飞的家禽的羽毛而不是鹰的羽毛。
6.英国人爱德华·弗罗斯特的尝试
       爱德华·弗罗斯特一心模仿鸟类的翅膀构造和飞行方式，想让代达罗斯的神话成真。他曾在1877年设计过一架扑翼机，在四轮底座上安装了4组用藤条和丝网编成的机翼，最大翼展约为9米，外形酷似大鸟翅膀，上面还插满了数千根从鹅身上精挑出来的羽毛。为了让这些羽翼上下扇动起来产生浮力，他加上了一台功率只有3.7千瓦的蒸汽机来带动连杆机构，这也使得整架飞机差不多有300千克重，在测试中根本无法把机身和操作者抬离地面。
       带着锅炉的蒸汽机提供不了足够的动力，弗罗斯特随后做了一个用功率为1.5千瓦电动机驱动的小模型进行测试，结果也并不理想。等到轻便高效的内燃机终于出现后，1905年弗罗斯特又研制出一架体积略小些的扑翼机，同样是在四轮底座上站立操作，但这次只装了一对翼展为6米的鹅毛机翼，采用一台功率为2.2千瓦的英国产摩托车用汽油发动机，整体重量降到105千克。根据剑桥大学工程学会的记录，这架扑翼机在启动后整体上升了0.6米，并且有向前移动的“趋势”，不过也就仅此而已，根本称不上是飞了起来。
7.1906年开始的一系列成就
（       需结合PPT）当时考夫曼设计的带有蒸汽机的扑翼机方案引起了人们的极大兴趣；英国人哈尔格莱夫制成了一架带有发动机的扑翼机实用模型；德国人李林塔尔研制的扑翼机上装了一台小型发动机，为人力提供辅助力量；他们的理论和实践成为扑翼机发展史上重要的里程碑。

8.“大鸭掌”
       文本：
              加拿大多伦多大学航空研究院的詹姆斯.德劳里埃教授经过30年的研究，与1996年设计出一架载人扑翼机，取名“大鸭
              掌”（Big Flapper），然后进行了多次试飞和修理。这架有单人驾驶的扑翼机，外形雷同普通上单翼轻型飞机，拥有流线型机
              身，但是它特别的地方在于没有螺旋桨，而又一对能够上下挥舞的长机翼。机翼翼展12.5米，分内外三段，在机身上方的中段相
              对的固定，而左右两个外端则可以上下扑动，翼面还可以绕机翼前沿的横梁扭曲，模仿鸟翅的运动。一台24马力的活塞式发动
              机，通过连杆机构，带动左右外翼挥舞。设计师德劳里埃说：“扑翼机设计中最困难得就是机翼。他的运动规律目前还没有气动
              力学方面的理论指导，一切都要靠实践和试验，慢慢来摸索”。
注释：
            重点在于设计师德劳里埃最后说的那段话，道出了机翼设计的困难性。

Part2:扑翼机研发中的困难 展示者：白一波

1.飞行器的结构
       下面由我为大家介绍仿生扑翼飞行器研发中的一些困难。首先是它的空气动力学基础：因为昆虫和鸟类的翅膀不像飞机机翼一样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构，翅膀拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，产生很多局部不稳定气流，这种非定常的空气动力学效应很复杂（注释：可以简单按照自己的理解解释一下非定常）。所以，设计和制造具有非定常空气动力学特性的高效仿生翼，是仿生扑翼飞行研究中急待解决的问题。仿生翼必须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。仿生翼的研究包括翼的结构和形状设计、传动机构设计、材料的选择以及与制造有关的工艺问题 。针对这些问题,未来需要进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现仿生扑翼飞行器的完美飞行。
2.飞行器的动力
       除了飞行器本身的结构，早期的仿生扑翼飞行器的研究经验得出，靠人体肌肉的力量驱动扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。由于微型扑翼飞行器要求外形较小、质量轻、能耗少，这就要求我们对于能源系统有着很严格的要求。就目前趋势来看，在今后的研制过程中，电池和微小型电机应该是相当长一段时间内的首选对象。这需要在微型电池和能源方面做出更多的努力与突破。最后，仿生扑翼飞行器的控制系统须根据实际使用要求进行很大的简化。首先，需要将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想的情况；其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选（注释：可附上自己关于这几个较专业的名次的理解）。目前适用于仿生飞行器的通信系统仍处于不断发展的阶段，但相信随着电子、计算机技术的快速发展，更加先进的通信技术肯定能够得以实现，这些困难也会被一一攻克。

Part3:扑翼机实例与展望 展示者：施雨辰

下面由我为大家介绍几款扑翼机。
1.破茧飞行器
       首先是这款“破茧”柔性翼两栖飞行器，它是基于蝙蝠飞行原理而设计的小型扑翼机，适用于低空的中低速飞行，可用于休闲观光，环境监测，航拍、航模等不同的领域。
       首先是他的仿生造型。它的折叠记忆构造是仿翼龙和蝙蝠翅膀，而在机翼瞬间打开时，飞行器会像飞蛾一样破茧而出，一飞冲天，这也是为什么它被命名为破茧飞行器。而它的流线型造型有很好的空气动力学性能，解决了空气动力学问题。同时，这种折叠机翼也减少了陆地行驶时的阻力，能更好地使飞行器实现两栖。
       它的飞行动力能源来自于氢氧燃料电池，是绿色能源，可以减少对环境的污染。而且用扑翼飞行，消耗的能量少，机动性高。
第三个特点则是它的轻质材料，由弹性的钛合金骨架蒙以太阳能聚合物透明薄膜构成的机翼，像昆虫翅膀一样的轻盈柔韧。
       最后则是它实现了垂直短距起降，不需要专用起降场地，在起飞着陆场地有限的情况下可以使用扑翼垂直起降。
2.Smartbird
       第二款是由festo公司推出的海鸥仿生飞行器smartbird。它的设计灵感来源于海鸥，除了模仿鸟类飞行，甚至通过在内部装上两个旋转轮，达到了飞行时可以逼真地扑动翅膀的效果。此外，它的翅膀角度可以通过扭力马达调节。
3.Bionic Bird
       第三款则是一款遥控玩具Bionic bird。它是仿燕子设计的。可以看到它通体呈黑色，体型也和燕子差不多，重量为9.2克。内置电动马达来为翅膀提供动力。而且采用了特殊的泡沫塑料制成，非常坚固，不怕撞到地面或是墙壁而损伤。而且非常智能，用户可以通过手机的重力感应模式去遥控指挥。
4.Emotion Butterflies
       第四款也是由festo公司推出的。这是一款气动仿生无人机 emotion butterflies。每一只蝴蝶展翼长度为50cm，身体重量只有32g。通过配备微型电动机来驱动。它的特殊之处在于，每只蝴蝶都是自主的，可独立操控翅膀实现自我引导飞行；然而，无人机群间建立了通信网络，可运用于工厂生产的后勤组织和监控系统。
5.仿生狐蝠
       最后则是一款仿生狐蝠。它的特点在于采用了一种特殊研制的弹性气密材料，这种材料是由弹性针织面料和选择性焊接的金属箔制成。它的翼膜由两片气密薄膜和一块氨纶织物组成，有着极薄、超轻但是却很坚韧的特点。
       另外一个特点则是它可以半自主飞行。通过一套运动追踪系统可以检测它的位置，规划飞行指令并且提供必要的控制指令。它从中央主机处获得必要的控制算法，并进行机器学习，不断改进算法来达到优化飞行行为的目的。
6.展望
       看了这么多实例，我们也可以发现这些扑翼机各自的特点让他们都有着十分广泛的应用前景。它们的飞行效率高，悬停盘旋能力、抗风能力、机动性与被察觉性也都优于多旋翼和常规固定翼。因此，是目前飞行器发展的一种颠覆性技术和热点方向
       而在未来，随着材料技术的突破、新能源电池的研发、微机电系统的逐步成熟，仿生飞行技术可以进一步扩展到老鹰，甚至更大尺寸的飞行器，或者是蜜蜂、蜻蜓之类微小尺度的研究。这是它的一种研究方向。 
       当然，目前的仿生飞行器虽然具备了一定的感知能力，甚至可以半自主飞行，但想要达到能在全天候、环境更复杂的条件下自如飞行还有很长一段路要走。今后，需要更加深入研究鸟类高效飞行机理，提高飞行器飞行效率和能力，发展仿生抗风技术和抗电磁干扰技术，研制出适用范围更广的仿生飞行器。

主要的一些资料源网站：

1、《仿生学在飞行器设计上的应用及意义》——王怡达＼ 郭岩＼ 闻有禄
2、《扑翼机》网络百科词条
3、Festo公司的设计师的TedTalk
4、海鸥仿生飞行器
5、BionicBird
6、eMotionButterflies 仿生蝴蝶无人机群
7、仿生狐蝠