撲翼型無人機仿生鳥和蝙蝠的摺疊翼

 
2017/04/25 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所     489
 

美國史丹佛大學(Stanford University)倫廷克(David Lentink)副教授領導的研究團隊仿生鳥翼和蝙幅翼,研發出一款遭遇障礙物時可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,能在密林枝葉或建築物間輕鬆飛越狹窄空間,即使意外撞擊障礙也能迅速恢復,並繼續執行如環境(空污)監測、海上巡邏、國土保育、急難搜救、氣象觀測和通訊中繼等既定任務,未來能夠據此動態模型開發出不同大小和形狀機型,擴大應用範圍。研究成果已於2015年3月在《生物靈感與仿生》(Bioinspiration & Biomimetics)期刊發表。

 

鳥類和蝙蝠的翅膀外觀雖然不同,但在解剖學上與人類的手臂屬於同源構造,搧動雙翼就能靈活準確地起降和飛抵目的地,充分展現輕鬆駕馭空氣動力學的特性。鳥類泛指鳥綱(Aves)動物,大部分物種都具有飛行能力。為了適應飛行,演化出總重量僅佔體重5%的輕盈強健骨骼、強壯的肌肉、高效新陳代謝的循環系統及呼吸系統等,與飛行有關的骨骼架構由上而下分為:肩胛骨、鳥喙骨、和肱骨,構成類似人的肩膀和上臂;肱骨則與尺骨和橈骨相連,類似人的手肘;往下連接腕骨、掌骨、和指骨,類似人的手腕和手掌。骨骼相接處具有關節,讓鳥翼能伸縮與摺疊,尤其飛越或經過狹小空間時適度收縮翅膀,可防止意外碰撞到異物或其他生物,或分散減輕碰撞力量而避免受傷。飛行時以喙上肌讓翅膀往上抬升,胸大肌使翅膀向下拍動,並用覆蓋體表的羽毛調整飛行姿態,尤其是尾羽可控制飛行方向。至於蝙蝠為翼手目(Chiroptera)動物,在四肢和尾巴間覆蓋薄而堅韌的皮質翼膜和股間膜,腳和尾巴在飛行時可控制身體平衡。

 

研究團隊以鳥翼為靈感設計仿生翅膀,使用碳纖維(carbon fiber)仿生鳥翼骨骼製作骨架,因鳥類皮膚和羽毛結構較複雜,故搭配仿生蝙蝠皮質翼膜的麥拉膜(Mylar®,即聚酯薄膜)取代,製造左、右機翼,翼展長40公分,翼弦長(chord length,指機翼前緣和後緣連成直線的長度)8公分,並以3D列印如鳥類腕關節(wrist joint)的針狀關節,連接臂翼和手翼骨架。透過關節能帶動手翼讓機翼撲動,遇到障礙時,無需額外動力驅動,手翼可以臂翼為基準,在0.07秒內像鳥翼般自由摺疊或回彈展開,只增加撲翼型無人機3%總重量。

 

機翼分成仿鳥類肩胛骨到橈骨的「臂翼」和從腕骨到指骨的「手翼」,兩者間用三秒膠以3D印表機列印厚度29微米(μm=10-6m)的針狀關節連結,骨架前緣的臂翼採用半徑1公釐、手翼為半徑0.8公釐的D形碳纖維構成,表面覆蓋5微米厚的麥拉膜,並用Weldwood樹脂以左、右翼的針狀關節為端點,各黏著直徑0.28公釐的4根圓形碳纖維,模仿蝙蝠指骨加強機翼,能承受氣流壓力不致破損。這種構造和機制使臂翼透過關節與機體相連並驅動翅膀,手翼在撲翼過程中自動摺疊和展開。

 

實際以鋼條撞擊測試結果發現,當推撞發生時機翼能自動摺疊變形,若用鋼條模擬無人機在飛行中碰到樹枝或牆壁的大力撞擊時,機翼的尖端透過向內側摺疊動作吸收衝擊力量,且因振翅運動引起的離心力驅動,機翼會快速回彈,並在0.07秒(機翼搧動頻率為14赫茲,即每秒搧動14次,故搧動一次約需0.07秒)內完全展開復原,證明這款機翼遇到障礙時,無需感應器、馬達等助力或電力即可被動調整恢復。

 

為理解翅膀如何摺疊和展開的動力學,研究團隊根據以往相關實驗數據,並分析46種鳥類的振翅幅度(flapping amplitude)和248種鳥類的翅膀摺疊比率(fold ratio),發現兩者間在16種鳥有相關性。他們以電腦創建振翅幅度和翅膀摺疊比率的動態模型進行模擬測試,得到能從撞擊中恢復的機翼設計,試驗改變振翅頻率、機翼的幾何形狀、和釋放時間等不同組合,發現只有較高的振動頻率和幅度導致在絕對時間內更快展開機翼,但機翼的幾何形狀和釋放時間對被動摺疊變形機制無太大影響,故得出無論機翼或機體尺寸,這款機翼設計在遇到障礙時都能迅速摺疊變形,並迅速回彈展開的結論。再用高速攝影機紀錄鴿子和太平洋鸚鵡(Forpus coelestis)飛行試驗,分析結果確實均符合此動態模型。將來生產的可摺疊變形回彈機翼的撲翼型無人機,不但節能且可在空中躲避碰撞、穿越障礙,運用於實境空拍、探測建築、偵測監控重要軍情、獵殺攻擊特定目標、貨物快遞等方面。

 

(以上新聞編譯自2015年3月25日發行之Bioinspiration & Biomimetics期刊)

 

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Stowers, A. K. and D. Lentink. 2015. Folding in and out: passive morphing in flapping wings. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 025001-1-16.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • Nordqvist, C. 2015. Drone with bird-bat-like wings can recover from mid-air collision. Market Business News, March 25, 2015.
    • Whitwam, R. 2015. Morphing wing design lets drones bounce back from impacts. ExtremeTech, March 26, 2015.
     
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