天空中的海洋生物

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像鸟儿一样在天空中自由自在地飞翔是人类自古以来的梦想。在希腊神话中，伊卡洛斯和泰达路斯父子为了通过飞行得到自由，甚至付出了生命的代价（图1）。文艺复兴时期的雷奥纳多·达芬奇模仿鸟类的飞行绘制了扑翼飞行器（图2），并且将其制造出来，这就是人类史料记载的第一架扑翼机。

艾迪安·朱尔斯·马雷（1830～1904），率先对鸟类的飞行姿态进行了科学研究。他用照相机拍下了鸟类飞行的连续姿态照片（图3），使鸟类飞行的精确研究成为可能。1889年，奥托·李林塔尔发表了《鸟类飞行——航空的基础》。奥托·李林塔尔和古斯塔夫·李林塔尔兄弟的滑翔机试验（图4）为后人的研究提供了大量数据。

1906年，阿尔贝托·桑托斯·杜蒙在法国设计制造了一架浮空器和飞机的组合体（图5）。其升力一部分由封装起来的轻于空气的气体提供，另一部分由机翼上下表面的压力差提供。

在前人的基础上，Festo公司近年来研发了一系列仿生学浮空飞行器。

空中蝠鲼Air Ray

Air Ray是一种模仿海洋生物蝠鲼研制的飞行器（图6）。经过千万年的进化，蝠鲼的游动方式和鸟类飞行颇有相似之处。而Air Ray的轮廓是经过多次试验和改进才最终被确定的。Air Ray通过遥控操纵飞行，采用了混合式结构，同时具有装满氦气的气囊和扑翼驱动机构。气囊用铝涂层气密材料制成，可填充1.6m3的氦气。因为1 m3的氦气大约能产生1kg的浮力，所以Air Ray的总重不可超过1.6kg。

空气的密度（海平面，20℃）为0.0012kg/m3，而水的密度为1kg/ m3，差别非常大。这就要求Air Ray的结构必须非常轻，才能以类似于蝠鲼在海洋中游动的方式，在空气的“海洋”中飞行。

Air Ray的推力由扑翼机构产生，其侧翼的结构类似于鱼类的尾部。舵机沿着侧翼的纵轴施力，使侧翼上下扑动。侧翼有较强的抗扭能力。在它的外端安装了一个舵机，使其可绕轴转动，从而使Air Ray能后退飞行。

空中水母Air Jelly

水母在5亿年前就已经出现，在漫长的进化史中展现出了很强的环境适应性。水母的身体含有99%的水，故其密度和水的密度基本相同。水母的游动方式是否可以作为飞行的借鉴？能否在空中实现像水母在水中一样的游动？带着这些疑问，Air Jelly应运而生（图7～图11）。

Air Jelly通过无线电操纵飞行。因为其气囊直径1.35m，能容纳1.3m3的氦气，提供约1.3kg的升力，所以Air Jelly的总重（包括囊体和辅助设备）不能超过1.3kg。Air Jelly使用两块8V、400mAh的锂电池，能在半个小时内完成充电。Air Jelly通过一个中心电机驱动圆锥齿轮，圆锥齿轮带动8个圆柱齿轮。每个圆柱齿轮带动一个轴转动，再通过曲柄机构驱动一个触角（图12）。而触角的运动则模仿鱼类尾部的摆动。

Air Jelly在三维空间的运动会受到重量分布的影响。利用这一原理，在Air Jelly的头顶设置了一个55cm长的重锤，并可在x、y轴平面移动。通过遥控器精确控制这个重锤的移动，即可使Air Jelly向重锤移动的相同方向活动，再结合高度方向的“蠕动”运动，Air Jelly就能实现在三维空间的自由飞行。

空中企鹅Air Penguin

企鹅是一种有趣的鸟类，在漫长的进化过程中，它虽逐渐失去了飞翔的本领，但却获得了在水中自由游动的能力。Air Penguin是模仿企鹅的动作制作的自动程度很高的飞行器，其灵活性和机动性接近于真实的企鹅（图13、图14）。

Air Penguin的主体是一个氦气囊（图15），可容纳1m3氦气，其升力能平衡约1kg的重量。氦气囊的两端各有一个锥形的柔性结构，由4根碳纤维杆和几段圆环构成，圆环之间相隔约10cm（图16）。这个柔性结构可向任意方向弯曲，其灵感来源于鱼类的尾部，并在此基础上进行了功能扩展，以适应三维空间飞行需要。两两相对的碳纤维杆通过钢缆与滑轮连接，当一边延展时，相对的一边则压缩。在4根碳纤维杆共同作用下，可使柔性结构尖端弯向任意方向。Air penguin的头部和尾部也能实现自由弯转。

Air Penguin的翅膀由聚氨酯泡沫制成，安装在贯穿氦气囊的轴上，由两个舵机控制，一个控制其上下扑动频率，另一个通过转动翼轴使其前缘上升或者使后缘上升，从而使Air Penguin前进或者后退。此外，还有一个舵机同时控制Air Penguin翼的翼轴转动，向上转动可使翼上升，向下转动可使翼下降。因为这3个舵机都比例控制，所以对Air Penguin的扑动频率、向前和向后、上升和下降的操纵都很灵活。Air Penguin上还搭载了复杂的导航和通讯设备，使之能够以提前设定的程序或者完全自主地探索所处的空间。

空中飞鱼Air fish

离子喷射推进系统常用于航天工程。在真空中，以离子喷射的方式推进，即使作用力只有毫牛级大小，在漫长的星际旅行中仍然足以使航天器达到很高的速度。Air Fish就应用了类似的原理（图17～图21）。

在Air Fish的尾端安装了静电离子喷射发动机。沿着铜管分布的20～30kV高压静电场将空气分子与其电子分离，使之成为离子。正离子向负极方向飞去，同时带动一些中性的分子同向运动，整体流动速度可达10m/s。

Air Fish的侧翼安装了新型仿生等离子射线推进装置。它基于电介质阻挡层放电原理，用层状电极夹着厚0.4mm的电介质产生一个高频高压（10kV、11kHz）交变电场。虽然没有类似翅膀的结构，但是这种装置模仿的是翅膀扑动的推进原理，图22～图24是其尾迹湍流图。在推进时，该装置的作用类似于一个简化的翅膀机构。