文献综述（或调研报告）：
随着人们对无人机需求的持续增加，智能制造行业的迅速发展和对新能源及材料的不断探索，微型扑翼飞行器逐渐成为研究热点。飞行器的小型化拥有成本低、隐蔽性好等特点，而且扑翼机器人不同于传统固定翼和旋翼飞行器，以其特殊的空气动力特性以及优越的性能更是引起了仿生学界和科技领域的广泛关注。昆虫和鸟类同作为飞行生物但飞行机制有很大不同，目前学者对运动模式进行了探究并成功研制了仿昆虫和鸟类的飞行器，比如Havard大学的“Flapping-wing Microbots”、美国AeroVironment公司的“Nano Hummingbird”、德国Festo公司的“Smartbird”以及国内南京航空航天大学研制的“金鹰”和西北工业大学的“信鸽”等[1]。
微型扑翼机器人的研制涉及多学科融合，包含机械结构设计、计算机控制程序和气动力分析等[2]。仿鸟扑翼机的低扑动频率和高扑动质量占比使气动、结构和飞行力学的耦合关系极强，因此合理的机翼设计不可忽略。然而，目前有关研究主要集中在仿生机理和扑翼机械结构上，而对于各种飞行器都起着决定性作用的机翼翼型、展弦比、材料等设计的研究不多。原因在于鸟类扑动飞行的非定常空气动力学机理尚不明晰，柔性扑翼的结构形式复杂而且缺乏精确的气动耦合计算方法。
鸟类飞行机理方面，1909年发现的Knoller-Betz效应，Von Karman和Burgers提出的卡门涡街的机制，库塔条件和绕翼环量等知识为仿鸟扑翼机的理论研究打下了基础[3]。很多研究表明前缘涡对在非定常气动条件下的鸟类飞翔机理有益。国内外对于扑翼机气动特性的研究方法可分为计算机仿真与样机实验。兴起于20世纪60年代，计算流体力学CFD从计算方法出发利用计算机快速的计算能力能得到流体控制方程的近似解。学者们以扑翼为研究对象进行数值模拟，常见的手段有如Ansys Fluent采用划分网格的有限元分析。杨永刚[4]则通过使用格子玻尔兹曼方法的XFLOW软件进行分析，也有学者利用Matlab结合涡格法[5]进行仿真。气动实验方面，风洞试验仍是主流方法，考虑到成本等因素，有学者研制出旋转扑翼机测试实验平台[6]，该实验平台类似塔吊结构，由支架结构支撑并通过悬臂梁的圆周运动模拟风洞环境。风烟实验能直观观察到机翼周围的情况，高速摄像系统经常与试验平台配套使用，以捕获流体信息以及扑翼的状态。
鸟类特殊的翼型结构和柔性变形对空气动力有很大提升。观察发现，鸟翼的柔性变形以弦向变形为主，包含各翼剖面沿弦向的弯曲变形和各翼剖面之间的扭转变形。研究表明柔性变形能在降低能量消耗的同时提高推力，因此扑翼机的扑动翼常采用轻质、可变形结构。比较具代表性的是，Heathcote通过水洞实验研究了柔性扑翼做沉浮运动时弦向和展向刚度对推力的影响，结果验证了经验：柔性比刚性扑翼产生的推力更大。曾锐[7]通过建立数学模型研究扑翼柔性变形前后的气动特性，结果表明弦向柔性变形大大增加了推力，但是是以牺牲升力为代价，而刚性扑翼的前飞性能较差。后续学者将扑翼简化为一维、二维模型[8]，通过数值仿真的方法研究非定常气动效应的结果也验证了这一结论。
不同的飞行生物在翅膀结构与形态方面存在着很大的差异，昆虫翅膀较薄，上面分布了翅脉和柔性翅膜，而鸟类翅膀相对较厚并具有一定的弯度。目前，学者对飞机机翼厚度和弯度这类设计参数的定常气动效应已有较深入的研究，但是这些理论并不适合像昆虫和鸟类这类扑翼飞行器。在低雷诺数、非定常空气动力条件下，机翼形态的任一微小参数的改变都将给气动力产生较大影响。冉景洪[9][10]研究了机翼的相对弯度和厚度在低雷诺数下机翼做等速上仰运动中的影响。文献[11]通过水箱实验并结合DPIV数字粒子图像测速的方法测试了多个三维扑翼模型，分析了不同来流速度下翼型的弯度、厚度对扑翼气动效应的影响。流体可视化验证了前缘涡对升力的贡献，实验结果表明薄型翅翼上的前缘涡更强从而其气动效应更优越；翼型的弯度减弱了前缘涡，但涡旋稳定性更好，也加强了总环量，因此在一定弯度范围内对升力提升效果显著。汪超[12]使用Fluent中动网格技术对厚度、弯度不同的机翼剖面进行扑动仿真，研究结果表明，对所有的来流速度随翼型厚度的增大，扑翼推力和能耗减小，前缘涡强度降低并延迟了前缘涡的脱落；翼型弯度可以改变尾涡脱落方向，显著提高翼型升力和升举效率，正向弯度扑翼在下扑行程能产生更大的升力，而负向弯度扑翼则在上挥行程中产生了更大的推力。
鸟类翅膀是产生升力和推力的主要部件，由肌肉、骨骼、羽毛以及关节构成，鸟类在扑动过程中通过改变翅膀的形态和角度来适应各种飞行工况。为了复现鸟类飞行状态，学者采用不同方法建模来仿生模拟鸟类翅翼形态。吉林大学仿生实验室为获得信鸽翅膀形态，采用逆向工程技术，对翅膀标本进行三维激光扫描获取点云坐标，再进行展向等距切片，并对翼型表面轮廓和中弧线进行参数拟合，最终3D打印获得仿生翼的几何模型[13][14]。潘振尔[6]使用profili从一种数据库中的仿鸟翼型到另一种翼型通过线性插值进行过渡，得到海鸥机器人骨架中9片肋骨，再用合适的样条曲线连接，最终样机翅翼模型由骨架蒙皮构成，吴海宇[15]设计的仿白鹤扑翼系统也是采用碳纤维骨架和蒙皮结构。
参考文献：
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