“机械蜂鸟”诞生记

近日，在“新天工开物——科技成就发布会”上，北京航空航天大学教授、博士生导师吴江浩团队带来的仿蜂鸟飞行器，吸引了众人的关注。

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“北航微型可悬停扑翼飞行器研发团队以蜂鸟为原型研制出微型可悬停扑翼飞行器，其续航、抗风、耐撞等能力领先于国际同类飞行器，已完成了火场救援、隧道巡检、交通监测等任务，社会经济效益显著，具备在未来实现自主化、集群化和智能化应用的潜力。”中国工程院院士李椿萱的推介词，现场描述了这种“机械蜂鸟”的应用前景。

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作为一款能够实现15分钟持续飞行的微型可悬停扑翼飞行器，这只“机械蜂鸟”打开了新一代微型飞行器研制的新路径。

北航校园追“鸟”人

近十年来，在北航校园的一些角落里，偶尔能看到一群年轻人用镜头追逐着一只“奇怪的小鸟”。这“奇怪的小鸟”并非自然生物，而是北航团队研发的“机械蜂鸟”，当时研发团队在放飞“机械蜂鸟”做测试。

当民航客机在大迎角下就可能失速下坠时，蜂鸟翅膀却以近乎45度的大迎角稳定悬停——这曾是世界航空领域的未解之谜。吴江浩现场揭开了自然界的飞行奇迹：“蜂鸟‘反其道而行之’，通过往复扑动将动态失速转化为升力源泉。”

悬停飞行原理成为破译密码的关键。早在2000年初，北航研发团队就开始针对昆虫飞行原理开展了系统研究，取得了国内外公认的成果，为后期研制仿蜂鸟飞行器奠定了坚实的理论基础。

时间回溯到2014年，当吴江浩带领团队启动仿蜂鸟飞行器研发时，面对的是“测试两分钟，维修一整天”的窘境。

这款飞行器的微型集成系统好比一块精密的手表，装配好系统往往要耗时一整天，而刚测试就可能出现故障或破坏，只好拆卸维修、重新装配。这时团队意识到，系统结构的可靠性与稳定性，是从“能动”走向“能飞”的第一道门槛。

为攻克结构脆弱难题，北航研发团队创造性地引入驱-传-控一体化设计理念。当高强度尼龙复合材料替代传统树脂材料后，飞行器终于迎来强筋健骨的蜕变——运行数百小时无故障。不仅揭示了自然界最精巧的飞行秘密，更使仿生翼升力系数达到惊人的2.10，超越生物蜂鸟翅膀40%。

仿生复刻的破壁之路

要让仿生蜂鸟“既灵、又小、更稳”，仿生翅膀成为最大的技术壁垒。据吴江浩介绍，薄如蝉翼的仿生翅膀需要承受高速扑动，这几乎是材料工程的极限挑战。

当时，实验室被各种薄膜淹没：面包店的保鲜膜、超市的购物袋、垃圾堆捡回的包装膜……两年间测试了上百种轻质材料、近千只仿生翅膀，记录本上写满失败数据。

直至2017年教师节，研发团队的学生们送了几束鲜花，不料鲜花的包装膜却意外成为破局关键。在一位同学提议下，团队连夜用鲜花包装薄膜——聚酰亚胺薄膜进行了性能测试，轻盈而坚韧的特性让所有人屏息——在高速扑动测试中，这种包装膜的质量和承载能力达到了完美平衡。

“我们当了回现代爱迪生。”吴江浩如是说。

继仿蜂鸟飞行器的首飞之后，如何控得住飞行又成了新的挑战。在一次春游中，研发团队张艳来副教授的孩子指着枝头山雀问：“爸爸，为什么它们在跳跃时要一直摆动尾巴呢？”这句稚嫩提问，瞬间如闪电般劈开迷雾。

返程途中，吴江浩猛然想起高速摄像机中蜂鸟悬停时微妙摆动的尾部和腹部，团队为此专门建立了蜂鸟翅膀和腹部协同控制的多体动力学模型，童言童语激发了攻坚克难的灵感，最终让仿蜂鸟飞行器实现了转得快、控得住等亮眼性能。

“机械蜂鸟”在扑翼力效、微型化设计和控制能力等三方面的数据不仅超越所有同类飞行器，甚至逼近真蜂鸟。性能指标、53项授权发明专利、5项登记软件著作权，展现了“机械蜂鸟”研制团队的创新实力。

飞入寻常生活的“机械精灵”

如今，“机械蜂鸟”正在从实验室飞入真实社会场景。

吴江浩指出，相较于目前常见的无人机，“机械蜂鸟”特别适合应用于两类场景：一是极小的空间内，可解决精准飞行、不惧怕碰撞的问题；二是使用场景对安全性要求很高的情况下，既不会造成破坏，自身也不会被破坏。

基于此，北航团队与国内多家交通领域企业深度合作，在隧道巡检、辅路监控等实际场景中明确需求和技术研发方向。

如今，北航团队已针对不同应用场景开发出了3款“机械蜂鸟”，应用于应急、消防、交通等10余家单位，完成了火场救援、隧道巡检、交通监测等任务，未来应用前景广阔。

吴江浩透露，仿蜂鸟飞行器未来将应用于更多场景，团队也在抓紧时间拓展飞行器型谱。他期待，在不远的未来，“人造蜂鸟”终将与自然界真正的“蜂鸟”同台共舞。