起头：科技导报

作家：侯涛刚、靳典哲、龚毓琰、王新阳、裴轩、杨兴帮

跟着仿生技巧的约束发展，东说念主类对飞鱼、崖海鸦、鲣鸟、飞乌贼等两栖生物的数据不雅测、仿真建模有了打破性的进展，水空跨介质飞行器规模也随之得到速即发展，但仍然存在一些重要技巧难点。按照被仿生对象的种类，对水空跨介质飞行器样机的商议进度，以及连年来在机翼结构、水空两栖鼓动花样等方面取得的进展进行归纳，并从计议机仿真与推行测试的角度，剖析了在对畅通学和能源学的商议中所用到的商议身手。归并该规模发展近况，总结了一些重要的技巧挑战，并提倡跨介质飞行器改日的瞻望。

动物的一些特殊躯壳结构和功能可为东说念主类的科学商议提供无数的灵感。如鸟类翅膀恰当于空域翱游，陆生动物腿足结构恰当陆地驱驰、进步、爬行，水生动物的尾鳍或喷射鼓动结构不错高效游动。而两栖动物的躯壳结构和习性能适合在多种环境中畅通，也便是具备跨介质畅通才能。因此，水空两栖生物可为东说念主类跨介质飞行器的研发提供无数的开垦性启示，包括在鼓动系统、结构假想及性能普及等方面，极地面拓展了现存空中无东说念主系统的功课环境和应用范围。连年来列国商议东说念主员纷繁将眼神迁移到水空两栖多模式无东说念主翱游器的商议上，包括水空多模式畅通机制商议及仿生样机的研制。本文按照仿生水空两栖动物进行分类，回来水空跨介质飞行器（AquaUAV）的发展历程，总结假想历程中的重要技巧、商议身手及刻下边临的挑战，瞻望AquaUAV改日的发展标的。

AquaUAV概览

通过效法两栖动物的结构，仿生AquaUAV的畅通才能可失色致使高出两栖动物。这些仿生生物包括鸬鹚、飞鱼、鲣鸟、飞鱿鱼和一些水生虫豸，波及鸟类、鱼类、门头足类动物和虫豸。

仿生AquaUAV的商议出当今2005年，洛克希德马丁公司（LMC）开发了一种潜艇放射的带有可变形翅膀的无东说念主机，如图1（a）所示，称为“鸬鹚”。“鸬鹚”着陆时会效法鸬鹚快速飞溅入水，但它莫得在水下自主出动的才能。此外，商议东说念主员正在商议鸬鹚的畅通学，即其拍打腾飞的历程，关联词尚未达到样机阶段。

图片

通过分析以为鸬鹚的仿生样机欠缺，至少存在2个原因：一方面，鸬鹚是从水的名义潜入水中，比拟于与鸬鹚同属鹈形宗旨鲣鸟，商议后者从空中潜入水中的花样更专门旨；另一方面，鸬鹚扑翼腾飞的历程复杂，对其的商议还处于表面和仿真阶段。

2007、2008年，英国Warrior（Aero-Marine）Ltd.以海鸥为原来，开发了2款水上飞机GULL24和GULL36，如图1（b）、（c）所示。GULL系列无东说念主机可在海面上滑行、腾飞和降落，可在空中翱游，但不成潜水，主要用于高效的海上监视。分析以为，对海鸥的仿生商议中枢是从水面潜入水中的历程，与鸬鹚访佛，由于它不才潜高度和速率上齐要比鲣鸟的入水花样有所欠缺，是以后续的仿生样机减少。

2007年，密歇根大学开发了“飞鱼”水上无东说念主机，用于抓续的海洋监视，如图2（a）所示。该无东说念主机具有特殊的起降结构和遏抑身手。一般情况下，该无东说念主机在海面摇荡实行监测任务，当其被风波吹出监测区时，会自主从海面腾飞回监测区不竭监视。2007—2016年，该团队一直在商议气动构型优化慈祥动性能、航电系统、翱游管制系统、自动导航与遏抑系统、旅途盘算推算、太阳能聚集系统等，其效劳对后续水空跨介质飞行器的发展具有弥留的指点和参考意旨。

图片

2009年，北京航空航天大学（BUAA）开发了“飞鱼”样机。这款翱游器不仅不错在水面上起降，还通过模拟水鸟密度变化的压力罐、压载水舱等假想杀青了漂浮和潜水，如图2（b）所示。它是第1款能够进行水下飞行、水/空、空/水过渡的水陆两栖无东说念主机，但样机性能仍然较差，起速即度较慢。

2011年，麻省理工学院（MIT）提倡的“飞鱼”样机如图2（c）所示。团队通过水下放射推行测量了水下阻力和出水时刻的力，发现功率密度与速率的平方成正比，并提倡了4种鱼鳍波动鼓动的表面假想，发现推力与鱼鳍后缘幅度商量，临了，提倡了基于中央模式发生器（CPG）的多实行器畅通遏抑算法。该商议为改日研制完好的两栖飞鱼机器东说念主奠定了弥留的基础。

2013年，斯坦福大学仿生学与智慧操作推行室（BDML）通过效法飞鱼从水下飞出并在空中滑翔的历程，提倡了一种进步滑翔无东说念主机，如图2（d）所示。该样机依靠碳纤维弹簧弹起，一双翼展70cm的机翼可使其滑翔5m。这种弹射加滑翔的畅通模式拓展了进步机器东说念主的水平畅通范围。天然其不是两栖无东说念主机，但碳纤维弹簧具有很高的能量密度，关于AquaUAV的水/空过渡具有很大的启示。

2021年，济州国立大学（JEJUNU）的两栖无东说念主机如图2（e）所示。以表面计议取得翼展、弦长、机身直径、水平尾翼和垂直尾翼等的假想参数并对样机建模，通过CFD（computational fluid dynamics）仿真得到无东说念主机在空气和水中的压力和流场分散。然后通过FSI（fluid structure interaction）模子分析了5种常用的轻质材料。收尾标明，与其他轻质材料比拟，环氧玻璃纤维复合材料具有轻质、高刚度、低等效应力等优点，标明该材料在AquaUAV的应用方面具有细致的后劲。

飞鱼的躯壳稀薄恰当在水下潜水（图2（b）、（e）），无论在水面上（图2（a）、（b））照旧在水下腾飞（图2（c）、（d）），齐具有细致的畅通本性，随后不错伸开胸鳍在空中滑翔（图2（c））。这些畅通本性蛊卦了无数商议东说念主员进行仿生商议，约束尝试构建种种时局的样机。

2010—2014年，布里斯托大学的Lock等仿照崖海鸦假想了一种跨介质无东说念主机机翼，由柔性薄膜制成，由电机驱动拍打，通过四连杆结构进行伸缩，如图3（a）所示。该团队在不同的扑动标的、频率、振幅等条目下测量了机械鼓动效劳和推力系数，收尾诠释注解了使用收缩扑翼进行水下鼓动的可行性，这为扑翼式跨介质翱游器的发展提供了贵重的表面支抓。

图片

麻省理工学院的Izraelevitz等受到海雀和海鸥等水鸟利用翅膀游水和翱游的启发，在2014年提倡了一种基于直线畅通的扑翼式AquaUAV。该畅通模式不错像海龟游水相似产生无升力的推力，也不错像海鸟相似在低速时产生巨大的升力，如图3（b）所示。扑翼式直线畅通是一种归并了龟类和鸟类的颤振本性的新颖高效的花样，稀薄恰当在AquaUAV中应用。

2015年，好意思国舟师商议推行室（NRL）假想了一种混杂型水上无东说念主机，具有2对尾翼，机身前部为主翼，机身尖端为小翼。商议标明，通过选拔得当的主翼参数不错提高翱游安谧性，如图3（c）所示。何况当4个翅片齐拍动时，翱游器能够以高出1节的速率鼓动。归并流动求解器和六开脱度模子，还商议了无东说念主机降落在水面时的轨迹和受力，诠释注解了无东说念主机的主翼在与水面碰撞时不会损坏。

2018年，北卡罗来纳州立大学（NCSU）的Stewart等假想了一种效法崖海鸦的固定翼AquaUAV，如图3（d）所示。机翼上成立一个透风口和一个出口，使无东说念主机可装载水下潜、排水腾飞。关于鼓动花样，使用2对电机和螺旋桨分别算作空中庸水下鼓动系统。水空过渡阶段罗致垂直起降花样杀青快速过渡。从空中到水下时，主要依靠重力，而从水下到空中时，会同期专揽空、水两套鼓动系整个同作用进行腾飞，以餍足推力要求。临了归并CFD仿真和推行考证了样机的升力和推力餍足跨介质历程的要求。

2012年，麻省理工学院林肯推行室的Fabian等初次以鲣鸟为灵感，假想了一种仿生鲣鸟无东说念主机，如图4（a）所示。该样机效法鲣鸟俯冲入水花样，假想可变后掠翼减少入水时阻力，不错7m/s的速率落入水中，且机翼可在0.25s内快速折叠。天然这一初步商议枯竭对鲣鸟的形态和生理特征的仿生度，然而它为仿生AquaUAV的灵感提供了一个新的选拔。

图片

2012—2014年，北京航空航天大学对鲣鸟俯冲入水进行了无数商议，如图4（b）所示。2012年，利用CFD商议了鲣鸟以不同速率和倾角入水时的冲击加快度，诠释注解了鲣鸟的躯壳结构不错灵验地训斥冲击力。此后，该团队成立了一个仿生鲣鸟的3D模子，并通过CFD模拟技巧得到了机身纵轴标的的冲击加快度以及机翼后掠角在入水时的变化。随后，基于仿真收尾研制了仿生样机，果然地取得了在入水时的机身纵轴标的的冲击加快度和机翼根部径向载荷。以上收尾关于仿照鲣鸟俯冲入水的样机假想提供了数据支抓。

2016年，伦敦帝国理工学院（IC London）的Siddall等进一步商议了喷水鼓动器，并假想了潜水式高功率腾飞两栖无东说念主机AquaMAV，该无东说念主机装有液态CO2气罐并使用SMA（花样记念合金）阀门来遏抑CO2的开释。其效法乌贼的喷水鼓动，利用高压CO2产生的高压水射流得胜杀青了高速水空过渡，且机翼为90°可变，如图4（c）所示。AquaMAV不错减少放射历程中的水阻力，其本身分量为100g，滑翔速率高出11m/s。该无东说念主机的头部安装螺旋桨，与CO2鼓动器酿成的混杂鼓动系统鼓动了该类飞行器的水空过渡速率与效劳。

7月5日，著名歌手CoCo李玟因罹患抑郁症多年，于7月2日在家轻生，经多日抢救无效后过世，享年48岁。

女，8天，足月顺产，母乳喂养。近2日来哭声低弱，不吃奶，黄疸加深。

2019年，皇家墨尔本理工学院（RMIT）的Guo等假想的仿生鲣鸟样机如图4（d）所示。样机假想为65°后掠式机翼，并假想混动鼓动系统，水下放射使用压缩气体鼓动器，遏抑翱游使用可折叠的外部螺旋桨，水下飞行则使用固定的里面螺旋桨。对鼓动系统得仿真和推行分析，考证其在水中庸空气中可产生弥散高效的推力。

2020年，新墨西哥州立大学（NMSU）的Peña等假想的仿生鲣鸟样机如图4（e）所示，商议了样机的机翼性能、浮力遏抑和鼓动机构等。该团队充分利用鲣鸟机翼花样的上风，罗致升力线表面（LLT）、涡格法（VLM）、3D面板法等三维分析身手对鲣鸟的翼形进行分析。此外，由于鲣鸟无东说念主机体积小、浮力大，该团队还假想了一个压载水舱。淌若系统需要更大的浮力，不错装CO2；反之，淌若需要的浮力较小，则不错装水。该罐可与压缩CO2通盘使用，为水下放射提供高压推力。必要时可使用转变器遏抑CO2注入以保管CO2储存量，这种对CO2储存才能的保护有助于杀青屡次水下放射。

鲣鸟从空中俯冲入水的花样十分高效，通过折叠翅膀将躯壳变成纺锤形，然后高速潜入水中。以上样机齐是在此仿生特征上商议的。然而，鲣鸟的水空过渡才能还不够优秀。IC London和RMIT的样机为了通过巨大的爆发力杀青水下腾飞，罗致了喷水鼓动器的假想，这恰是飞乌贼的本性。

2015年，伦敦帝国理工学院的Siddall等假想了一种仿乌贼的射流鼓动系统用于水空过渡，如图5（a）所示。该团队使用高功率密度液态CO2罐来产生射流并推动无东说念主机快速腾飞。

图片

2019年，Zufferey等提倡了一种不错从水面连气儿腾飞的样机，它依靠固体反应物CaC2与水的化学反应，产生可燃气体C2H4，由火花塞焚烧C2H4气体在无东说念主机里面爆炸，如图5（b）所示。爆炸产生的巨大压力会将水箱内的水挤出，产生高压射流。CaC2的高能量密度和储存才能，杀青了该样机从水面屡次放射的操作。

2019年，Hou等提倡了一种软体仿“乌贼”样机，通过喷射高压CO2气体杀青水下喷水鼓动放射，如图5（c）所示。此外，该团队还假想了一种柔嫩的变形鳍片，依靠波纹管来杀青鳍片的折叠变形，从而能牢牢地贴合在机身上。通过风洞、水洞考考诠释注解，软鳍伸开时可产生弥散的升力，折叠时可显耀训斥水下畅通阻力。算作一种水下生物，飞乌贼照旧进化出2个恰当跨介质的畅通特征，即喷射出水和伸开胸鳍在空中滑翔。

Zufferey等和Hou等分别在鼓动花样和AquaUAV的变结构机翼方面进行了弥留立异。关于鼓动花样，依靠固体反应物的高能量密度，提高了水下放射速率，并杀青了可重迭性。关于可变结构假想，依靠软体材料增强了无东说念主机的结构归附才能，并通过效法飞乌贼的收缩鳍将阻力最小化。

2015年，哈佛大学的Chen等开发了一种微型AquaUAV——RoboBee I。该无东说念主机分量独一80mg，依靠压电致动器来驱动扑翼。RoboBee I不仅不错完成空中庸水下畅通，还不错通过拍动翅膀杀青空-水过渡。这是第一款不错杀青该功能的虫豸机器东说念主。更弥留的是，该责任对扑翼的流体能源学分析不仅能够专揽于虫豸鳞片，从毫米级的虫豸到米级的鱼类和鸟类齐不错应用。因此他们猜度扑翼不错应用于更大尺寸的两栖无东说念主机。

2017年，Chen等开发了RoboBee II，如图5（d）所示。该机器东说念主通过水下电解板产生氢气和氧气，然后用火花塞焚烧氢氧混杂物爆炸，得胜杀青了基于喷气鼓动的跨介质畅通。

氢氧能源是一种新式的绿色能源，具有超高比能。电解水化学反应的合理当用，不错杀青AquaUAV从水下到空中的连气儿放射，为改日中大型AquaUAV的能源发展带来无尽可能。

重要技巧

将具有跨介质才能以及跨介质应用后劲的机翼假想结构总结为2类，分别为变后掠翼结构、软体结构，如表1所示。此外，各用一个示例展现这2种结构的伸开和折叠景色，如图6所示。

图片

图片

变后掠翼

大多数具有水空过渡变形才能的样机齐选拔了效法鲣鸟俯冲入水的变后掠翼结构。该结构最弥留的本性是使用简便的驱动遏抑来杀青机翼的向后折叠，如图6（a）所示。计议到空气能源学性能，机翼的轮廓浅近从NACA翼型中选拔。此外，机翼是使用碳纤维或其他轻质高强度材料通过3D打印技巧制造的。电板常用于为感应系统或液压系统供电。通过折叠机翼，减少了过渡时机身的截面积，增多了跨介质畅通的畅通度。但机翼即使统统折叠，也会在一定程度上窒碍机身的流线型结构，从而增多AquaUAV在过渡历程中的阻力。而且这种决策浅近会简化机翼的结构假想以杀青机翼的平滑变形，机翼面积小、展弦比低，使得机翼的气动性能难以达到预期的指标。

软体结构

受飞乌贼软鳍变形的启发，Hou等提倡了可变形软体结构，如图6（b）所示。利用软体结构遏抑技巧杀青软体材料的变形，软体机翼不错在空-水过渡历程中包裹到机身上，从而减少阻力。软体机翼的潜在制作材料有橡胶、花样记念合金、离子交换团聚物-金属复合材料、水凝胶等。驱启程手可分为物理驱动（举例SMA驱动）、压力驱动（举例高压气体、高压液体、内燃爆炸和其他软体致动器（举例介电弹性体）。Hou等的商议得胜杀青了基于气动波纹管和高压CO2驱动的飞乌贼软鳍假想。软体结构比拟于传统的刚性舞动翼结构具有更好的能源学本性和高度仿生的外形假想，不错显耀提高仿生AquaUAV的性能。关联词，软体材料由于其本身的局限性，其刚度较小，何况软体机翼在高速翱游条目下容易抖动，因此姿态遏抑的可靠性不成得到充分保证。可变刚度技巧可能有助于处分这个问题。

变结构机翼总结

机翼是AquaUAV的弥留构成部分。思要增强样机在2种介质之间的畅通才能，就必须假想出一种既能够适合水空多模式畅通，又能在水空过渡历程中受控折叠的可变机翼系统。现存的水空跨介质样机变结构机翼假想仍存在刚性与仿生相似性的矛盾。

AquaUAV畅通性能的评估措施包括深度、高度、畅通速率、水空过渡速率、实行连气儿放射的才能，强盛的能量和高效的鼓动花样对其性能起着决定性的作用。

射流鼓动

喷水鼓动器不错在出水历程中为AquaUAV提供强盛的能源，它是最快的水空过渡花样之一。关于水空过渡历程，能源功率输出速率的要求是鼓动器的假想中最为重要的。因此，总结了一些高能量密度和高功率密度的能源用于喷水鼓动。凭证反应物的物感性质，AquaUAV现存的喷水能源起头可分为气体、液体和固体3类。此外，每种反应物也可被分别为2类：一类是已被商议和应用的，另一类则是具有潜在应用的，如表2所示。

图片

1）气体反应物。

按其责任旨趣可分为开释压缩气体和焚烧烃类气体2种花样。开释压缩气体是一种泛泛应用的花样。如图7（a）所示，在许种种机中，压缩CO2是主要能源起头，这种花样具有许多优点，安全可靠、气体开释反适时期快、反应物价钱便宜、易取得等。但由于气瓶受限于样机尺寸，CO2储罐仅够单次水下放射，且需要通常更换，气瓶的气密性也难以保证，难以杀青重迭腾飞。因此焚烧烃类气体这种花样更恰当应用于AquaUAV。Tolley等得胜地使用液态丁烷算作进步式软体机器东说念主的爆炸反应物来杀青快速致动。访佛的，氢气、甲烷、丁烷齐具有很大的可压缩性，只需要小气瓶就能杀青高存储容量，从而使样机更轻。此外，这种花样不错用于重迭腾飞。腾飞时，只需要遏抑气阀放出可燃气体，用火花塞焚烧，化学爆炸的冲击力就会将水喷出，杀青跨介质过渡。关联词，可燃气体开释量和氧气供应的遏抑精度是该身手杀青最好放射效劳必须要计议和处分的问题。

图片

2）液体反应物。

凭证责任旨趣，它们还不错分为电解反应和自燃反应。电解反应的盛名例子是水的电解，如图7（b）所示。通过电解板电解水聚集氢气和氧气，从而增多样机的排水量，使其漂浮起来。到达水面后，用火花塞焚烧气体，杀青爆炸喷水鼓动放射。这么，既合理利用了样机的液体空间，且阶段的化工家具也对环境友好，杀青了电能到化学能到机械能的举座迁移。氢氧能是一种超高比能的能源，在改日的应用中需要克服电解板被环境液体腐蚀的问题，何况还需要提高气体的定量遏抑才能，才有可能应用于中大型AquaUAV。

自燃反应是一种应用于火箭发动机的鼓动旨趣，尚未有其应用于AquaUAV的报说念。反应物是由高浓渡过氧化氢催化剖析产生的氧气，和雾化醇或煤油混杂而成。借助高浓渡过氧化氢的催化放热，无需单独的点火装配即可使反应物发生化学爆炸，从而杀青喷水鼓动。Chen等使用与过氧化氢混杂的煤油基燃料进行自燃反应，如图7（b）所示。团队得胜地杀青了21ms的低点火延伸和ΔH=32.5kJ/g的高热值。这种过氧化氢双组分燃料具有比肼更高的密度比冲，这一本性可能会使AquaUAV具有在水下和空中二次加快的可能性。但使用这种反应物鼓动的样机需要2个孤苦的液体储罐和1个合适的雾化系统，何况需要计议高浓渡过氧化氢的强氧化性和液体管说念的合理假想。

3）固体反应物。

固体反应物可分为2种类型：一种是利用碱金属氢化物产生可燃气体并焚烧，另一种则是利用固体反应物产生并开释高压气体。碱金属储存的氢气具有用作反应物的后劲，但氢气开释产生的无数热量具有一定的安全风险。因此，大多数类型的碱金属尚未被应用。关联词，用电石与水混杂产生一定量的乙炔气体，并使用火花塞焚烧乙炔，该身手得胜杀青了AquaUAV在水面上的爆炸鼓动腾飞，如图7（c）所示。与液体慈祥体比拟，固体反应物通常具有稀薄高的能量密度，每次腾飞只需要稀薄极少的反应物。固体反应物叠氮化钠已被应用于汽车中的安全气囊，其不错通过在高温下从叠氮化钠中开释的氮气或通过对车辆的外部撞击来掀开。此外，叠氮化钠剖析可用作脱轨技巧的固态气体发生器，如图7（d）所示。当叠氮化钠用作气动微实行器时，险些陡然分裂以产生钠和氮。氮气可径直用于鼓动，钠可与水混杂进一步用作附加能源。但在AquaUAV规模使用时应预防叠氮化钠的毒性和化学反应条目的合理假想。

电机与螺旋桨

基于电动机和螺旋桨进行鼓动亦然一种很好的鼓动花样，大多数螺旋桨鼓动花样的能源是电板。螺旋桨的布局和结构是整个鼓动系统假想的重要。因此，凭证螺旋桨的数目将这种鼓动决策分为3类，其螺旋桨的布局结构分别为1个多模式螺旋桨、2个组合螺旋桨、多个组合螺旋桨。表3总结了各鼓动花样的优缺陷。

图片

1）单一多模态螺旋桨。

单一多模态螺旋桨独一1个电机和1个螺旋桨，它与延缓器的多模态畅通投合作，杀青在水中庸空气中的畅通。举例，在图8（a）中，Tan等开发了一种新式延缓器，不错匡助螺旋桨在2种介质之间天泄漏换，杀青样机的高效畅通。这种鼓动很容易杀青，不错制作出轻量级的样机，但不成让样机杀青水与空气之间的过渡。

图片

2）2个组合螺旋桨。

这种结构的样机头部有1个螺旋桨，尾部有1个螺旋桨。一个用于空气驱动翱游，另一个用于水下驱动翱游，两者的归并不错杀青水和空气之间的过渡。Stewart等开发的“Uria aalge”样机，如图8（b）所示。这么的螺旋桨布局不错让样机完好地完成水下单介质畅通以及水空跨介质畅通。关联词，该样机在进出水历程中的畅通速率相对较慢。

多组合螺旋桨浅近使用4个或6个或更多的螺旋桨进行鼓动。经过样机的3次迭代，Lu等开发了Nezha III，如图8（c）所示，利用6个螺旋桨聚首杀青单介质和跨介质畅通，样机姿态可控性高。关联词，这种决策的跨介质历程也比较慢，何况会产生好多格外的噪声。

混动鼓动系统

该系统归并了基于压缩二氧化碳的喷水鼓动和电机螺旋桨鼓动，领有跨介质历程中喷水鼓动的快速性和单介质畅通中螺旋桨鼓动的高效劳。混杂鼓动系统具有完成水下-空中单次全历程畅通的才能，包括在单一介质中畅通和跨介质畅通，如图8（d）、图8（e）所示。关联词，这2种鼓动系统不可幸免地增多了样机的复杂性和举座分量，商议东说念主员需要在样机的尺寸分量与畅通性能间作念出折衷。

能源与鼓动系统总结

通过对样机实例的分析，总结了3种鼓动花样的责任旨趣和优缺陷。其中，以为喷水鼓动是最有可能餍足上一节所述的性能要求何况使AquaUAV本色默契细致的鼓动花样。因此，在现存应用实例的基础上，提倡了其他3种用于喷水鼓动的潜在能源，即丁烷气、H2O2和煤油、叠氮化钠。

分析身手

为了使AquaUAV的假想愈加合理，不时需要使用一些计议机模拟身手、推行身手过头组合。在假想阶段，CFD被用于生物体翱游、游水和过渡畅通的机理分析，以及仿生样机的假想优化分析。此外，还需要建造风洞、水洞等测试环境，以进行空气能源、水能源性能测试。同期罗致畅通捕捉、数字粒子图像测速（DPIV）等不雅察技巧考证样机的本色畅通性能，进一步对AquaUAV畅通性能进行分析和优化。选拔了一些典型的仿真和推行案例（图9）。

图片

计议流体仿真最早启动专揽于水上飞机的商议，缓缓被泛泛应用到水空跨介质飞行器规模。

预测并再现跨介质历程

在仿生学商议中，一些生物的畅通行动难以通过传统花样捕捉、商议、复现，如鱼类游动、鸟类翱游、两栖飞鱼和水鸟的跨介质畅通等，但CFD技巧不错通过对商议对象进行建模并作念出合理假定，提供高效的数值计议身手模拟复现生物的畅通。是以CFD技巧被越来越多地应用到仿生学商议中。

Huang等利用CFD技巧对鸬鹚脚蹼在腾飞时的畅通学和能源学特征进行了分析。通过使用VOF（volume of fluid）模子中的措施k-ε湍流模子、Navier-Stokes方程等进行计议，再现了鸬鹚腾飞过渡的历程，如图9中A1所示。Deng等利用CFD技巧对3种不同飞鱼模子的空气能源学性能进行了数值商议，数据标明这些模子在纵朝上是安谧的。之后通过三开脱度（3-DOF）能源学模子预测了滑翔范围，如图9中A2所示。Hou等对乌贼的3D模子进行网格分别，通过Fluent的集成预处理环境GAMBIT指定规模条目，使用RANS（reynolds average Navier-Stokes）模子计议流体畅通并拿获涡旋特征，罗致VOF模子算作多相流模子。最终，定量商议了乌贼水-空多模式畅通的畅通学和能源学信息，展现了完好的畅通数据和流场信息，如图9中A3所示。

机翼的升力、浮力、压力分散问题

水空两栖生物的翅膀能够在水、空气2种介质中对本身姿态和畅通角度进行诊治，而这2种环境的密度进出了近3个数目级。因此关于水空两栖生物翅膀上力的分散随畅通变化本性的商议一直齐是该规模的弥留一环。CFD技巧的灵验数值仿真推行不错定量再现机翼在水空多模式畅通中力的分散特征。Yang等使用CFD技巧重现了鲣鸟的入水，利用VOF技巧计议并取得了以不同初速率入水时鲣鸟躯壳周围的流场和压力分散，并分析了不同浸入深度下的压力分散，如图9中B1所示。Wang等使用CFD技巧商议了鲣鸟入水阶段的冲击加快度，如图9中B2所示。成立了鲣鸟畅通中的3D模子，归并RANS方程与VOF技巧来模拟空气-水混杂流体的流动。使用预处理软件ICEM对设定的计议域进行网格分别，并选拔有限体积法（FVM）求解方程。Peña等使用气动分析身手对鲣鸟的机翼与其他现存机翼对比，发现仿祈望翼的升阻比最高，如图9中B3所示。

鼓动力仿真

皇冠hg86a

生物的鼓动结构所提供的水空鼓动力是得胜杀青跨介质畅通的弥留保证。CFD技巧为生物鼓动力测试开辟了新说念路。Huang等提倡了流固耦合（FSI）模子，该模子基于有限元法的瞬态能源学模块进行计议。在流体计议模块中，使用基于有限体积法（FVM）的Fluent模块进行计议。在流体模子中，使用k-ε湍流模子，流体重力（浮力）和VOF气液两相流模子进行计议，如图9中C1、C2所示。在之后的责任中，使用基于有限体积法（FVM）的集成求解器处分了两相流中可变形生物的水能源问题。最终呈现了基于计议流体能源学（FSI-CFD）流固耦合的数值物理模子处分决策，如图9中C3所示。

畅通性能仿真

在商议出仿生生物的一些畅通本性后，还需要对样机进行一些流体分析，比如样机鼓动力的定量测试和出入水历程力的分散。Yang等通过CFD技巧计议了鲣鸟样机入水的冲击加快度和冲击力，如图9中D1所示，得到并分析了入水历程中的相分散和压力分散。Ramamurti等假想了一款用于浅水区腾飞的混动型UAV/UUV，通过CFD技巧探究翱游器滑行腾飞时在不同攻角（angles of attack）下的空气能源学本性以及水下鼓动力的产生。前者对前翼的安谧性作念了考证，后者考证了拍动鳍能够产生弥散的推力，如图9中D2所示。Mathaiyan等在仿生飞鱼的历程中使用了SST k-ω模子。他们不雅察到共轴螺旋桨引起了机翼尾部的湍流。该发现指点了基于推杆和共轴螺旋桨的无东说念主机鼓动系统的假想，如图9中D3所示。

计议机仿真技巧需要通过一些畅通、流场不雅测技巧进行推行考证。使用畅通捕捉技巧（DPIV）不雅测生物和翱游器的水、空畅通学景色。风洞、水洞技巧可用来对翱游器的气能源和水能源性能进行测试。DPIV技巧能够将流场可视化，揭露生物的鼓动机制和鼓动力的流场分散情况，从而探索各工况参数对鼓动速率场的影响法则。

畅通学不雅测

动作捕捉技巧是利用外来开垦对推行指标的畅通历程进行捕捉和相应的技巧处理，不错测量物体在物理空间中的位置和标的，然后通过计议机编程讲话纪录信息。该技巧不错精确提供指标出动时的畅通学信息，包括速率、角度、加快度等，从而成立畅通模子。

Liang等利用动作捕捉技巧对鲣鸟样机进行溅落推行，得出较大的机翼后掠角、较小的下落高度和入水歪斜角不错减小样机枢轴要津的径向负荷，如图9中E1所示。同期发现，机翼载荷与下落高度、进水倾角和机翼后掠角之间的关系可用于计议样机俯冲时的机翼载荷，如图9中E2所示。Huang等利用视频图像处理技巧分析了鸬鹚的脚蹼轨迹和受力特征，揭示了鸬鹚灵验推能源的机制，如图9中E3所示。推行所使用的2个录像头不错对图像标志点进行视频合成和3D畅通重建。Sharker等捕捉了11种3D打印的鸟头暴跌入水的场景，解释了跳水潜水者头部花样对暴跌历程安全性的影响，如图9中E4所示。Zhao等利用动作捕捉技巧对视频中果然动物的畅通进行了捕捉，如图9中E5所示，交互式四足机器东说念主对捕捉的图像进行效法，从而简化了机器东说念主畅通遏抑器的假想，并提高了机器东说念主的仿生度和交互才能。

升力、阻力等不雅测

为探究翱游器的气能源、水能源性能，需要搭建合适的推行环境。利用风洞、水洞环境和六维力传感器，商议员不错对翱游器在空中庸水中的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等进行测定，从而考证CFD对翱游器水/空能源性能的仿真收尾。

Park等进行了风洞推行，商议飞鱼翱游的空气能源学本性，提供了飞鱼翱游的定性和定量数据，并对具有不同机翼形态的果然飞鱼样机进行了力测量，如图9中F1所示。他们发现飞鱼翅膀的空气能源学性能可与种种鸟的翅膀失色，何况飞鱼具有一些与当代飞机交流的形态特征，得当空气能源学的假想。Lock等利用应变测试仪合作水洞推行，探索了样机机翼的俯仰变化对所受阻力的影响，如图9中F2所示。Izraelevitz等利用搭载六维力传感器的袖珍水下拖曳平台（水洞），考证了样机机翼假想的线性扑动主意，如图9中F3所示。Siddal等假想了风洞考验评估样机机翼性能和纵向安谧性，并评估了空气能源学系数和样机的入水深度，如图9中F4所示。在水洞推行中使用交流的力进行均衡，说明了风洞推行的测量。Hou等使用水下牵引平台来测试样机的水卑鄙体能源性能，如图9中F5所示。牵引平台牵引样机畅通，六轴力传感器纪录三轴力和三轴扭矩，测试样机软鳍和机翼在不同的攻角下伸开和折叠景色的水能源性能。还进行了风洞考验，利用高频力均衡法聚集数据，商议了乌贼样机的软体鱼鳍在风洞流场下的性能。Chang等为测试翱游器PigeonBot欠驱动的软生物混杂变身机翼的灵验性，在风洞中对机翼进行动态障碍和推广，如图9中F6所示，详情了在空气能源载荷下机器东说念主羽毛的畅通才能。Luca等开发了一套仿陌生离流翼（bioinspired separated flow wing），在风洞中利用六维力传感器测试了机翼的升力和阻力，在水洞顶用DPIV技巧取得了分离流翼周围的流场，拿获了流分离、从层流过渡到湍流，以及它们从头承接的细节，如图9中F7所示。

鼓动力不雅测

鼓动力不雅测可使用DPIV技巧，其将图像处理技巧与流场可视化、单点测速和多点测量技巧相归并，主要用于测量复杂的瞬态流量，举例非定常流量，湍流、涡流和多相流量。主要用于测量复杂的瞬态流量，举例非定常流量，湍流、涡流和多相流量。示踪剂颗粒在激光薄板光（或天然光）辐照下散布在流体中，在垂直方朝上通过相机镜头的光学膜取得畅通粒子的流体图像。对粒子图像进行深度处理和分析，不错得到测量区域的二维速率场。

关于生物畅通时酿成的空气流场和水流场，如鸟拍打翅膀、鱼类拍打鳍等，DPIV技巧不错对其进行可视化，进而真切揭示生物的鼓动机制，为仿生学的鼓动力探索提供切实可行的身手。Hedenström等使用DPIV技巧对蝙蝠的尾流图像进行分析，并使用定量的尾流涡度和总轮回量来推导空气能源的大小并构建尾流拓扑，得胜构建了新的基于涡流的蝙蝠翱游空气能源学模子，如图9中G1所示。Young等使用基于详确机翼畅通学的三维计议流体能源学进行模拟，分析了蝗虫机翼变形的空气能源学性能。之后对果然蝗虫使用烟雾可视化和数字粒子图像测速技巧，考证了仿真收尾，如图9中G2所示。Wen等归并DPIV与机电技巧，定量测量了机器鱼的功率、尾流场和自鼓动速率，从而对其效劳进行定量测量，如图9中G4所示。DPIV测量收尾浮现，同期具有伞形和钩形畅通学结构的样机所产生的流动模式，其大部分特征是楔形的双行尾流结构。

此外，有学者也使用DPIV技巧对喷水鼓动涡环进行商议，进而对乌贼喷水鼓动力产祈望制进行分析，如图9中G3所示。

挑战与瞻望

AquaUAV的假想是为了在空中庸水中开脱穿梭出动。在空中，样机通过升力翱游，需要轻型的机身结构和较大的翼展；而在水下，则需要重型和流线型机身。为了均衡这一矛盾，本商议从2个角度总结了处分决策。

1）假想一种多模态结构，仿照不错入水的鸟类。具体来说，便是变后掠翼在空中伸开以增多升力，并在水中折叠成纺锤形以减少流动阻力。关联词，现存的变后掠翼技巧还不成很好地均衡在水和空气中的共同适合性。分析以为，可变刚度技巧和折纸技巧等一些技巧的和会可能会促进样机的发展。

2）假想压载水舱，效法海洋生物，吸水下千里，需要飞到空中时通过喷水消弱分量，从而滑翔更远的距离。该身手还有好多标的有待探索，举例商议怎么训斥吸水和注水时期，怎么提高水气升沉效劳，怎么使水射流产生更大推力等。

水空跨介质历程需要较大的爆发力，而在水下或空中飞行时则需要安谧的输出。在现存商议中，螺旋桨不错提供安谧的输出，喷水鼓动不错餍足大爆发力的要求，但并不安谧。因此以为，改日的商议要点将至少有2个部分：一是真切商议喷水鼓动的可控花样，使其兼具爆发力和安谧输出。二是将这2种鼓动归并起来，分时段责任。关联词，这会使结构变得雄伟，因此将这2种能源耦合的袖珍化身手是一种潜在的处分决策。然后是能源供应问题。电板是一种常见的能源，通常用于螺旋桨鼓动，因为电力很容易使用，但它们的能量密度有限。一些新式的燃料电板，举例袖珍氢氧燃料电板，可能会在改日处分这个问题。内燃机具有高能量密度，只需极少燃料即可杀青长续航。关联词，内燃机的大分量使得样机难以进行跨介质畅通。此外，通过捎带气体、液体和固体化学燃料，将化学能径直升沉为动能亦然一个热点话题，如电石剖析、丁烷气爆炸等。总而言之，在之后的商议中，跨介质历程的燃料反应条目、反应产物的处理、样机可控性等方面仍需进一步探索。

在进化历程中，生物的躯壳结构趋于更好地适合环境。因此，使样机与生物具有更高的相似性一直是仿生样机的假想指标。关联词，跨介质生物的躯壳结构复杂，必须对仿生历程的各个阶段进行真切商议。举例：怎么概述聚集形态数据，怎么准确建模，怎么获取重要特征，怎么将其应用到样机中，怎么评估和优化仿生学的相似性等。

本商议总结了CFD技巧在生物行动再现、生物或样机推力和升力的数据聚集、畅通捕捉系统不雅察到的畅通学数据的处理等方面的应用。这些商议对促进仿生样机的篡改起到了弥留作用。关联词，现存的CFD模拟大多齐基于极少参数及敛迹，而生物体的种种花样参数之间通常存在复杂的耦合关系。因此以为改日可能的商议标的是增多更多的参数，合理假想模子降维解耦，以取得更全面的物理模子。此外，基于一些新式复合材料、柔性结构和混杂鼓动技巧，降维后的耦合关系不错缓缓在仿生样机中杀青，进一步提高样机的仿生相似性。在改日，经过无数的CFD模拟并归并样机的推行不雅察，不错酿成样机和生物体的相似性评价体系，以进一步指点和优化仿生样机的假想。

论断

水空跨介质翱游器可极地面拓展翱游器的空间行动范围，两栖生物赐与了其极大的假想灵感。本文从仿生角度出手，按照被仿生生物的生物类型分类，快要年来的仿生水空跨介质样机进行梳理总结，但愿找到各种仿生样机中的假想要点及难点。进一步地，索求出机翼结构兼容性假想和能源与鼓动两种重要技巧进行详确分析。关于机翼，变后掠翼结构简便安谧但窒碍了流线型外形，而软体机翼有更高的仿生度。关于能源与鼓动技巧，电机螺旋桨的鼓动效劳高，而射流鼓动技巧具有更高的瞬时功率和能量密度，有较大的商议空间，因此总结了3类有潜在价值的能源花样。能够，螺旋桨与射流鼓动相归并酿成混动鼓动的花样是一种更优的身手关于样机的考证，仿真和推行相反相成。基于CFD技巧可模拟并预测生物的跨介质行动，并对机翼的空气、水能源性能和鼓动力仿真；专揽畅通捕捉技巧、风洞水洞推行、DPIV技巧将上述历程推行考证。

在仿生跨介质翱游器样机的商议历程中，还有好多勤勉需要克服，举例怎么更好地克服翱游器在水下和空中2种介质中的畅通适合性难题，如安在水、空2种介质中杀青快速、沉稳的过渡，怎么克服传统的生物仿生度难题，怎么进一步提高样机畅通的高效劳等问题，是改日需要要点孤寒的问题。

本文作家：侯涛刚、靳典哲、龚毓琰、王新阳、裴轩、杨兴帮

作家简介：侯涛刚，北京交通大学电子信息工程学院，副教师，商议标的为仿祈望器东说念主；杨兴帮（通讯作家），北京航空航天大学生物与医学工程学院，副教师，商议标的为仿祈望器东说念主和康复扶直医疗。

原文发表于《科技导报》2023年第2期。

图片