同濟(jì)大學(xué)開發(fā)出3D打印機(jī)器蜻蜓

　　蜻蜓具有極其出色的飛行性能，能忽上忽下、忽快忽慢、空中懸停，甚至做一百八十度的急轉(zhuǎn)彎飛行, 讓多數(shù)鳥類望塵莫及，故有“飛行之王”的美譽(yù)。近日，同濟(jì)大學(xué)研究沈海軍教授團(tuán)隊針對一種常見的蜻蜓 — 碧偉蜓展開了包括計算機(jī)建模、風(fēng)洞試驗、撲翼機(jī)制作在內(nèi)的一系列仿生研究工作，并于本月初成功借助3D打印技術(shù)成功研制出了一架仿生微型電動遙控機(jī)器“蜻蜓”，同時進(jìn)行了初步試飛。

　　據(jù)了解，這只機(jī)器蜻蜓的設(shè)計制作過程如下：首先，研究團(tuán)隊分析了蜻蜓的身體構(gòu)造，然后采用CAD軟件對其進(jìn)行了3D數(shù)字建模，最后通過3D打印機(jī)打印出了其3D實體模型。

　　在設(shè)計階段，研究人員根據(jù)蜻蜓的體態(tài)特征簡化了翅膀、翅脈、頭部、足部、胸部以及腰身部。他們結(jié)合撲翼飛機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計并繪制出了相應(yīng)的仿蜻蜓飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、起落架、發(fā)動機(jī)架等部件CAD模型;其中，蜻蜓的尾端被巧妙地設(shè)計成了飛機(jī)的方向舵。有了CAD模型，將其轉(zhuǎn)化為STL文件格式，便可依次在3D打印機(jī)中打印出仿蜻蜓飛機(jī)的頭部、翅膀、足以及身體等撲翼機(jī)部件。

　　給蜻蜓撲翼機(jī)選配動力和電子裝備非常重要。根據(jù)以往的經(jīng)驗，研究人員精心挑選了7mm直徑的有刷電機(jī)和相應(yīng)的減速組作為動力，3.7伏特的的鋰電池作為能源;發(fā)射/接收裝備選擇紅外二通控制。其中，一個通道控制蜻蜓機(jī)翼的撲打頻率，即飛行高度與速度，另一通道控制蜻蜓的航向。蜻蜓的方向舵選用自制的4mm線圈直徑的微型電磁舵機(jī)。

　　將上述3D打印的“蜻蜓”部件、動力和電子裝備組裝起來，并在”蜻蜓”翅脈上鋪設(shè)0.1mm的聚乙烯塑料薄膜，一個遙控的機(jī)器“蜻蜓”便基本完成，見圖2。完成后的機(jī)器“蜻蜓”總重15克，翼展15cm，身長16cm。在加電和遙控下，蜻蜓的一對翅膀交互拍打，產(chǎn)升力和拉力;尾部的電磁舵可左右自如偏轉(zhuǎn)，控制蜻蜓的航向。

　　為了確保動力系統(tǒng)與氣動性能相匹配，加裝了動力系統(tǒng)的3D打印機(jī)器“蜻蜓”在同濟(jì)大學(xué)微小飛機(jī)實驗室的風(fēng)洞中進(jìn)行了吹風(fēng)實驗。測試結(jié)果顯示，該動力系統(tǒng)可產(chǎn)生十余克的升力和拉力，滿足“蜻蜓”飛行的動力要求。這里，值得一提的是，本次實驗所使用的風(fēng)洞很特別，是不久前該實驗室1:1成功復(fù)原的100余年前萊特兄弟所使用的風(fēng)洞。該風(fēng)洞原來的升力/阻力機(jī)械天平目前已被改造成了精度更高的電子天平。

　　3D打印機(jī)器“蜻蜓”進(jìn)行風(fēng)洞測試

　　在自然界千萬年的進(jìn)化中優(yōu)勝劣汰，禽類、昆蟲、飛魚等動物練就了高超的飛行本領(lǐng)。相比之下，人類的航空史僅有百十年，因此，人類要自由翱翔，還有許多地方需要向動物學(xué)習(xí)。目前，利用三維打印技術(shù)，同濟(jì)大學(xué)已相繼成功研制了飛鳥撲翼機(jī)、仿生飛魚滑翔機(jī)、機(jī)器蜻蜓等等。三維打印技術(shù)的出現(xiàn)，能夠幫助我們揭示更多自然界中動物飛行的奧秘，為人類探究動物飛行增加了一種新的手段。