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泉源：科技导报

作家：侯涛刚、靳典哲、龚毓琰、王新阳、裴轩、杨兴帮

跟着仿生本事的抵制发展，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、仿真建模有了冲破性的进展，水空跨介质飞翔器限制也随之得到连忙发展，但仍然存在一些要害本事难点。按照被仿生对象的种类，对水空跨介质飞翔器样机的有计划进度，以及连年来在机翼结构、水空两栖鼓吹神气等方面取得的进展进行归纳，并从测度机仿真与本质测试的角度，剖析了在对默契学和能源学的有计划中所用到的有计划要领。迷惑该限制发展近况，总结了一些要害的本事挑战，并建议跨介质飞翔器异日的瞻望。

动物的一些特殊躯壳结构和功能可为东说念主类的科学有计划提供无数的灵感。如鸟类翅膀允洽于空域遨游，陆生动物腿足结构允洽陆地驱驰、跨越、爬行，水生动物的尾鳍或喷射鼓吹结构不错高效游动。而两栖动物的躯壳结构和习性能稳当在多种环境中默契，也便是具备跨介质默契才智。因此，水空两栖生物可为东说念主类跨介质飞翔器的研发提供无数的成就性启示，包括在鼓吹系统、结构设想及性能升迁等方面，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。连年来列国有计划东说念主员纷纷将眼神迁移到水空两栖多模式无东说念主遨游器的有计划上，包括水空多模式默机会制有计划及仿生样机的研制。本文按照仿生水空两栖动物进行分类，归来水空跨介质飞翔器（AquaUAV）的发展历程，总结设想进程中的要害本事、有计划要领及现时边临的挑战，瞻望AquaUAV异日的发展办法。

AquaUAV概览

     

通过师法两栖动物的结构，仿生AquaUAV的默契才智可比好意思致使突出两栖动物。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。

01鸬鹚

仿生AquaUAV的有计划出当今2005年，洛克希德马丁公司（LMC）开发了一种潜艇辐照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”着陆时会师法鸬鹚快速飞溅入水，但它莫得在水下自主出动的才智。此外，有计划东说念主员正在有计划鸬鹚的默契学，即其拍打升起的进程，但是尚未达到样机阶段。

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图1 “鸬鹚”无东说念主机（a）及GULL24（b）、GULL36（c）

通过分析合计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目的鲣鸟，有计划后者从空中潜入水中的神气更有真理；另一方面，鸬鹚扑翼升起的进程复杂，对其的有计划还处于表面和仿真阶段。

02海鸥

2007、2008年，英国Warrior（Aero-Marine）Ltd.以海鸥为正本，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、升起和降落，可在空中遨游，但不行潜水，主要用于高效的海上监视。分析合计，对海鸥的仿生有计划中枢是从水面潜入水中的进程，与鸬鹚访佛，由于它鄙人潜高度和速率上都要比鲣鸟的入水神气有所欠缺，是以后续的仿生样机减少。

03飞鱼

2007年，密歇根大学开发了“飞鱼”水上无东说念主机，用于握续的海洋监视，如图2（a）所示。该无东说念主机具有特殊的起降结构和截至要领。一般情况下，该无东说念主机在海面飘摇扩充监测任务，当其被风波吹出监测区时，会自主从海面升起回监测区继续监视。2007—2016年，该团队一直在有计划气动构型优化慈祥动性能、航电系统、遨游经管系统、自动导航与截至系统、旅途筹画、太阳能网罗系统等，自后果对后续水空跨介质飞翔器的发展具有进军的诱导和参考真理。

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买体育彩票中奖的图2 仿生飞鱼样机

2009年，北京航空航天大学（BUAA）开发了“飞鱼”样机。这款遨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、压载水舱等设想完毕了漂浮和潜水，如图2（b）所示。它是第1款能够进行水下飞翔、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，起连忙度较慢。

2011年，麻省理工学院（MIT）建议的“飞鱼”样机如图2（c）所示。团队通过水下辐照本质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，并建议了4种鱼鳍波动鼓吹的表面设想，发现推力与鱼鳍后缘幅度筹商，临了，建议了基于中央模式发生器（CPG）的多扩充器默契截至算法。该有计划为异日研制竣工的两栖飞鱼机器东说念主奠定了进军的基础。

2013年，斯坦福大学仿生学与机灵操作本质室（BDML）通过师法飞鱼从水下飞出并在空中滑翔的进程，建议了一种跨越滑翔无东说念主机，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。这种弹射加滑翔的默契模式拓展了跨越机器东说念主的水平默契范围。固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。

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2021年，济州国立大学（JEJUNU）的两栖无东说念主机如图2（e）所示。以表面测度取得翼展、弦长、机身直径、水平尾翼和垂直尾翼等的设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漫步。然后通过FSI（fluid structure interaction）模子分析了5种常用的轻质材料。完了标明，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的应用方面具有邃密的后劲。

飞鱼的躯壳稀奇允洽在水下潜水（图2（b）、（e）），不管在水面上（图2（a）、（b））如故在水下升起（图2（c）、（d）），都具有邃密的默契脾气，随后不错张开胸鳍在空中滑翔（图2（c））。这些默契脾气眩惑了无数有计划东说念主员进行仿生有计划，抵制尝试构建种种阵势的样机。

04崖海鸦

2010—2014年，布里斯托大学的Lock等仿照崖海鸦设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办法、频率、振幅等条款下测量了机械鼓吹效能和推力系数，完了讲解注解了使用收缩扑翼进行水下鼓吹的可行性，这为扑翼式跨介质遨游器的发展提供了宝贵的表面支握。

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图3 崖海鸦仿生样机

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遨游的启发，在2014年建议了一种基于直线默契的扑翼式AquaUAV。该默契模式不错像海龟游水相通产生无升力的推力，也不错像海鸟相通在低速时产生巨大的升力，如图3（b）所示。扑翼式直线默契是一种迷惑了龟类和鸟类的颤振脾气的新颖高效的神气，稀奇允洽在AquaUAV中应用。

2015年，好意思国舟师有计划本质室（NRL）设想了一种夹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。有计划标明，通过弃取稳当的主翼参数不错提高遨游相识性，如图3（c）所示。况兼当4个翅片都拍动时，遨游器能够以突出1节的速率鼓吹。迷惑流动求解器和六开脱度模子，还有计划了无东说念主机降落在水面时的轨迹和受力，讲解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等设想了一种师法崖海鸦的固定翼AquaUAV，如图3（d）所示。机翼上成就一个透风口和一个出口，使无东说念主机可装载水下潜、排水升起。关于鼓吹神气，使用2对电机和螺旋桨分别动作空中庸水下鼓吹系统。水空过渡阶段选拔垂直起降神气完毕快速过渡。从空中到水下时，主要依靠重力，而从水下到空中时，会同期愚弄空、水两套鼓吹系总共同作用进行升起，以高傲推力要求。临了迷惑CFD仿真和本质考证了样机的升力和推力高傲跨介质进程的要求。

05鲣鸟

2012年，麻省理工学院林肯本质室的Fabian等初度以鲣鸟为灵感，设想了一种仿生鲣鸟无东说念主机，如图4（a）所示。该样机师法鲣鸟俯冲入水神气，设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。固然这一初步有计划穷乏对鲣鸟的阵势和生理特征的仿生度，但是它为仿生AquaUAV的灵感提供了一个新的弃取。

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图4 鲣鸟仿生样机

2012—2014年，北京航空航天大学对鲣鸟俯冲入水进行了无数有计划，如图4（b）所示。2012年，利用CFD有计划了鲣鸟以不同速率和倾角入水时的冲击加快度，讲解注解了鲣鸟的躯壳结构不错有用地贬低冲击力。此后，该团队建立了一个仿生鲣鸟的3D模子，并通过CFD模拟本事得到了机身纵轴办法的冲击加快度以及机翼后掠角在入水时的变化。随后，基于仿真完了研制了仿生样机，真确地取得了在入水时的机身纵轴办法的冲击加快度和机翼根部径向载荷。以上完了关于仿照鲣鸟俯冲入水的样机设想提供了数据支握。

2016年，伦敦帝国理工学院（IC London）的Siddall等进一步有计划了喷水鼓吹器，并设想了潜水式高功率升起两栖无东说念主机AquaMAV，该无东说念主机装有液态CO2气罐并使用SMA（阵势操心合金）阀门来截至CO2的开释。其师法乌贼的喷水鼓吹，利用高压CO2产生的高压水射流顺利完毕了高速水空过渡，且机翼为90°可变，如图4（c）所示。AquaMAV不错减少辐照进程中的水阻力，其自己分量为100g，滑翔速率突出11m/s。该无东说念主机的头部安装螺旋桨，与CO2鼓吹器造成的夹杂鼓吹系统鼓吹了该类飞翔器的水空过渡速率与效能。

2019年，皇家墨尔本理工学院（RMIT）的Guo等设想的仿生鲣鸟样机如图4（d）所示。样机设想为65°后掠式机翼，并设想混动鼓吹系统，水下辐照使用压缩气体鼓吹器，截至遨游使用可折叠的外部螺旋桨，水下飞翔则使用固定的里面螺旋桨。对鼓吹系统得仿真和本质分析，考证其在水中庸空气中可产生满盈高效的推力。

2020年，新墨西哥州立大学（NMSU）的Peña等设想的仿生鲣鸟样机如图4（e）所示，有计划了样机的机翼性能、浮力截至和鼓吹机构等。该团队充分利用鲣鸟机翼阵势的上风，选拔升力线表面（LLT）、涡格法（VLM）、3D面板法等三维分析要领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，该团队还设想了一个压载水舱。若是系统需要更大的浮力，不错装CO2；反之，若是需要的浮力较小，则不错装水。该罐可与压缩CO2一齐使用，为水下辐照提供高压推力。必要时可使用颐养器截至CO2注入以保管CO2储存量，这种对CO2储存才智的保护有助于完毕屡次水下辐照。

鲣鸟从空中俯冲入水的神气十分高效，通过折叠翅膀将躯壳变成纺锤形，然后高速潜入水中。以上样机都是在此仿生特征上有计划的。但是，鲣鸟的水空过渡才智还不够优秀。IC London和RMIT的样机为了通过巨大的爆发力完毕水下升起，选拔了喷水鼓吹器的设想，这恰是飞乌贼的特质。

06飞乌贼

2015年，伦敦帝国理工学院的Siddall等设想了一种仿乌贼的射流鼓吹系统用于水空过渡，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升起。

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图5 飞乌贼样机

2019年，Zufferey等建议了一种不错从水面一语气升起的样机，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智，完毕了该样机从水面屡次辐照的操作。

2019年，Hou等建议了一种软体仿“乌贼”样机，通过喷射高压CO2气体完毕水下喷水鼓吹辐照，如图5（c）所示。此外，该团队还设想了一种柔滑的变形鳍片，依靠波纹管来完毕鳍片的折叠变形，从而能牢牢地贴合在机身上。通过风洞、水洞检修讲解注解，软鳍张开时可产生满盈的升力，折叠时可显赫贬低水下默契阻力。动作一种水下生物，飞乌贼照旧进化出2个允洽跨介质的默契特征，即喷射出水和张开胸鳍在空中滑翔。

Zufferey等和Hou均分别在鼓吹神气和AquaUAV的变结构机翼方面进行了进军转变。关于鼓吹神气，依靠固体反应物的高能量密度，提高了水下辐照速率，并完毕了可重叠性。关于可变结构设想，依靠软体材料增强了无东说念主机的结构归附才智，并通过师法飞乌贼的收缩鳍将阻力最小化。

07水栖虫豸

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唯有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默契，还不错通过拍动翅膀完毕空-水过渡。这是第一款不错完毕该功能的虫豸机器东说念主。更进军的是，该责任对扑翼的流体能源学分析不仅能够愚弄于虫豸鳞片，从毫米级的虫豸到米级的鱼类和鸟类都不错应用。因此他们推测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夹杂物爆炸，顺利完毕了基于喷气鼓吹的跨介质默契。

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，不错完毕AquaUAV从水下到空中的一语气辐照，为异日中大型AquaUAV的能源发展带来无穷可能。

要害本事

     

网络赌博的案例01变结构机翼设想

将具有跨介质才智以及跨介质应用后劲的机翼设想结构总结为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种结构的张开和折叠景象，如图6所示。

表1 结构兼容性设想优劣横向对比

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图6 2种机翼结构的张开和折叠景象

变后掠翼

大多数具有水空过渡变形才智的样机都弃取了师法鲣鸟俯冲入水的变后掠翼结构。该结构最进军的特质是使用通俗的驱动截至来完毕机翼的向后折叠，如图6（a）所示。酌量到空气能源学性能，机翼的详尽通常从NACA翼型中弃取。此外，机翼是使用碳纤维或其他轻质高强度材料通过3D打印本事制造的。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，增多了跨介质默契的畅达度。但机翼即使皆备折叠，也会在一定程度上防碍机身的流线型结构，从而增多AquaUAV在过渡进程中的阻力。而且这种有筹画通常会简化机翼的结构设想以完毕机翼的平滑变形，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筹画。

软体结构

受飞乌贼软鳍变形的启发，Hou等建议了可变形软体结构，如图6（b）所示。利用软体结构截至本事完毕软体材料的变形，软体机翼不错在空-水过渡进程中包裹到机身上，从而减少阻力。软体机翼的潜在制作材料有橡胶、阵势操心合金、离子交换团聚物-金属复合材料、水凝胶等。驱动要领可分为物理驱动（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等的有计划顺利完毕了基于气动波纹管和高压CO2驱动的飞乌贼软鳍设想。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脾气和高度仿生的外形设想，不错显赫提高仿生AquaUAV的性能。但是，软体材料由于其自己的局限性，其刚度较小，况兼软体机翼在高速遨游条款下容易抖动，因此姿态截至的可靠性不行得到充分保证。可变刚度本事可能有助于措置这个问题。

变结构机翼总结

机翼是AquaUAV的进军构成部分。思要增强样机在2种介质之间的默契才智，就必须设想出一种既能够稳当水空多模式默契，又能在水空过渡进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设想仍存在刚性与仿生相似性的矛盾。

02能源与鼓吹系统

AquaUAV默契性能的评估程序包括深度、高度、默契速率、水空过渡速率、扩充一语气辐照的才智，刚劲的能量和高效的鼓吹神气对其性能起着决定性的作用。

射流鼓吹

喷水鼓吹器不错在出水进程中为AquaUAV提供刚劲的能源，它是最快的水空过渡神气之一。关于水空过渡进程，能源功率输出速率的要求是鼓吹器的设想中最为要害的。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吹。凭证反应物的物感性质，AquaUAV现存的喷水能源泉源可分为气体、液体和固体3类。此外，每种反应物也可被辞别为2类：一类是已被有计划和应用的，另一类则是具有潜在应用的，如表2所示。

表2 基于水射流的鼓吹模式

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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种神气。开释压缩气体是一种正常应用的神气。如图7（a）所示，在许种种机中，压缩CO2是主要能源泉源，这种神气具有许多优点，安全可靠、气体开释反适时分快、反应物价钱便宜、易取得等。但由于气瓶受限于样机尺寸，CO2储罐仅够单次水下辐照，且需要常常更换，气瓶的气密性也难以保证，难以完毕重叠升起。因此焚烧烃类气体这种神气更允洽应用于AquaUAV。Tolley等顺利地使用液态丁烷动作跨越式软体机器东说念主的爆炸反应物来完毕快速致动。访佛的，氢气、甲烷、丁烷都具有很大的可压缩性，只需要吝啬瓶就能完毕高存储容量，从而使样机更轻。此外，这种神气不错用于重叠升起。升起时，只需要截至气阀放出可燃气体，用火花塞焚烧，化学爆炸的冲击力就会将水喷出，完毕跨介质过渡。但是，可燃气体开释量和氧气供应的截至精度是该要领完毕最好辐照效能必须要酌量和措置的问题。

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图7 喷水鼓吹系统

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。电解反应的闻明例子是水的电解，如图7（b）所示。通过电解板电解水网罗氢气和氧气，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，完毕爆炸喷水鼓吹辐照。这么，既合理利用了样机的液体空间，且阶段的化工居品也对环境友好，完毕了电能到化学能到机械能的举座改动。氢氧能是一种超高比能的能源，在异日的应用中需要克服电解板被环境液体腐蚀的问题，况兼还需要提高气体的定量截至才智，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吹旨趣，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理解产生的氧气，和雾化醇或煤油夹杂而成。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，从而完毕喷水鼓吹。Chen等使用与过氧化氢夹杂的煤油基燃料进行自燃反应，如图7（b）所示。团队顺利地完毕了21ms的低点火蔓延和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，这一脾气可能会使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吹的样机需要2个落寞的液体储罐和1个合适的雾化系统，况兼需要酌量高浓渡过氧化氢的强氧化性和液体管说念的合理设想。

3）固体反应物。

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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。但是，用电石与水夹杂产生一定量的乙炔气体，并使用火花塞焚烧乙炔，该要领顺利完毕了AquaUAV在水面上的爆炸鼓吹升起，如图7（c）所示。与液体慈祥体比拟，固体反应物往往具有稀奇高的能量密度，每次升起只需要稀奇少许的反应物。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，叠氮化钠理解可用作脱轨本事的固态气体发生器，如图7（d）所示。当叠氮化钠用作气动微扩充器时，确切一霎分裂以产生钠和氮。氮气可平直用于鼓吹，钠可与水夹杂进一步用作附加能源。但在AquaUAV限制使用时应珍摄叠氮化钠的毒性和化学反应条款的合理设想。

电机与螺旋桨

基于电动机和螺旋桨进行鼓吹亦然一种很好的鼓吹神气，大多数螺旋桨鼓吹神气的能源是电板。螺旋桨的布局和结构是通盘鼓吹系统设想的要害。因此，凭证螺旋桨的数目将这种鼓吹有筹画分为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总结了各鼓吹神气的优过失。

表3 基于电机和螺旋桨的鼓吹模式

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1）单一多模态螺旋桨。

单一多模态螺旋桨唯有1个电机和1个螺旋桨，它与延缓器的多模态默契相投作，完毕在水中庸空气中的默契。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种介质之间天知道换，完毕样机的高效默契。这种鼓吹很容易完毕，不错制作出轻量级的样机，但不行让样机完毕水与空气之间的过渡。

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图8 螺旋桨鼓吹系统

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。一个用于空气驱动遨游，另一个用于水下驱动遨游，两者的迷惑不错完毕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竣工地完成水下单介质默契以及水空跨介质默契。但是，该样机在进出水进程中的默契速率相对较慢。

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多组合螺旋桨通常使用4个或6个或更多的螺旋桨进行鼓吹。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个螺旋桨调治完毕单介质和跨介质默契，样机姿态可控性高。但是，这种有筹画的跨介质进程也比较慢，况兼会产生好多特殊的噪声。

混动鼓吹系统

该系统迷惑了基于压缩二氧化碳的喷水鼓吹和电机螺旋桨鼓吹，领有跨介质进程中喷水鼓吹的快速性和单介质默契中螺旋桨鼓吹的高效能。夹杂鼓吹系统具有完成水下-空中单次全进程默契的才智，包括在单一介质中默契和跨介质默契，如图8（d）、图8（e）所示。但是，这2种鼓吹系统不可幸免地增多了样机的复杂性和举座分量，有计划东说念主员需要在样机的尺寸分量与默契性能间作念出折衷。

能源与鼓吹系统总结

通过对样机实例的分析，总结了3种鼓吹神气的责任旨趣和优过失。其中，合计喷水鼓吹是最有可能高傲上一节所述的性能要求况兼使AquaUAV骨子阐述邃密的鼓吹神气。因此，在现存应用实例的基础上，建议了其他3种用于喷水鼓吹的潜在能源，即丁烷气、H2O2和煤油、叠氮化钠。

分析要领

     

为了使AquaUAV的设想愈加合理，经常需要使用一些测度机模拟要领、本质要领尽头组合。在设想阶段，CFD被用于生物体遨游、游水和过渡默契的机理分析，以及仿生样机的设想优化分析。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。同期选拔默契捕捉、数字粒子图像测速（DPIV）等不雅察本事考证样机的骨子默契性能，进一步对AquaUAV默契性能进行分析和优化。弃取了一些典型的仿真和本质案例（图9）。

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图9 典型仿真案例和本质考证案例（定时代措施枚举）01表面分析

测度流体仿真最早驱动愚弄于水上飞机的有计划，渐渐被正常应用到水空跨介质飞翔器限制。

预测并再现跨介质进程

在仿生学有计划中，一些生物的默契举止难以通过传统神气捕捉、有计划、复现，如鱼类游动、鸟类遨游、两栖飞鱼和水鸟的跨介质默契等，但CFD本事不错通过对有计划对象进行建模并作念出合理假定，提供高效的数值测度要领模拟复现生物的默契。是以CFD本事被越来越多地应用到仿生学有计划中。

Huang等利用CFD本事对鸬鹚脚蹼在升起时的默契学和能源学特征进行了分析。通过使用VOF（volume of fluid）模子中的程序k-ε湍流模子、Navier-Stokes方程等进行测度，再现了鸬鹚升起过渡的进程，如图9中A1所示。Deng等利用CFD本事对3种不同飞鱼模子的空气能源学性能进行了数值有计划，数据标明这些模子在纵进取是相识的。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模子进行网格辞别，通过Fluent的集成预处理环境GAMBIT指定畛域条款，使用RANS（reynolds average Navier-Stokes）模子测度流体默契并拿获涡旋特征，选拔VOF模子动作多相流模子。最终，定量有计划了乌贼水-空多模式默契的默契学和能源学信息，展现了竣工的默契数据和流场信息，如图9中A3所示。

机翼的升力、浮力、压力漫步问题

水空两栖生物的翅膀能够在水、空气2种介质中对自己姿态和默契角度进行颐养，而这2种环境的密度出入了近3个数目级。因此关于水空两栖生物翅膀上力的漫步随默契变化特质的有计划一直都是该限制的进军一环。CFD本事的有用数值仿真本质不错定量再现机翼在水空多模式默契中力的漫步特征。Yang等使用CFD本事重现了鲣鸟的入水，利用VOF本事测度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漫步，并分析了不同浸入深度下的压力漫步，如图9中B1所示。Wang等使用CFD本事有计划了鲣鸟入水阶段的冲击加快度，如图9中B2所示。建立了鲣鸟默契中的3D模子，迷惑RANS方程与VOF本事来模拟空气-水夹杂流体的流动。使用预处理软件ICEM对设定的测度域进行网格辞别，并弃取有限体积法（FVM）求解方程。Peña等使用气动分析要领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。

鼓吹力仿真

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生物的鼓吹结构所提供的水空鼓吹力是顺利完毕跨介质默契的进军保证。CFD本事为生物鼓吹力测试开辟了新说念路。Huang等建议了流固耦合（FSI）模子，该模子基于有限元法的瞬态能源学模块进行测度。在流体测度模块中，使用基于有限体积法（FVM）的Fluent模块进行测度。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测度，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）的集成求解器措置了两相流中可变形生物的水能源问题。最终呈现了基于测度流体能源学（FSI-CFD）流固耦合的数值物理模子措置有筹画，如图9中C3所示。

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默契性能仿真

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在有计划出仿生生物的一些默契脾气后，还需要对样机进行一些流体分析，比如样机鼓吹力的定量测试和出入水进程力的漫步。Yang等通过CFD本事测度了鲣鸟样机入水的冲击加快度和冲击力，如图9中D1所示，得到并分析了入水进程中的相漫步和压力漫步。Ramamurti等设想了一款用于浅水区升起的混动型UAV/UUV，通过CFD本事探究遨游器滑行升起时在不同攻角（angles of attack）下的空气能源学脾气以及水下鼓吹力的产生。前者对前翼的相识性作念了考证，后者考证了拍动鳍能够产生满盈的推力，如图9中D2所示。Mathaiyan等在仿生飞鱼的进程中使用了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。该发现诱导了基于推杆和共轴螺旋桨的无东说念主机鼓吹系统的设想，如图9中D3所示。

一场重磅博彩赛事皇冠展开，许多赌客胜负下注，赛事结果出乎意料，所有人震惊不已。02本质考证

测度机仿真本事需要通过一些默契、流场不雅测本事进行本质考证。使用默契捕捉本事（DPIV）不雅测生物和遨游器的水、空默契学景象。风洞、水洞本事可用来对遨游器的气能源和水能源性能进行测试。DPIV本事能够将流场可视化，揭露生物的鼓吹机制和鼓吹力的流场漫步情况，从而探索各工况参数对鼓吹速率场的影响规定。

默契学不雅测

动作捕捉本事是利用外来开发对本质筹画的默契进程进行捕捉和相应的本事处理，不错测量物体在物理空间中的位置和办法，然后通过测度机编程话语纪录信息。该本事不错精确提供筹画出动时的默契学信息，包括速率、角度、加快度等，从而建立默契模子。

Liang等利用动作捕捉本事对鲣鸟样机进行溅落本质，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联系可用于测度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本事分析了鸬鹚的脚蹼轨迹和受力特征，揭示了鸬鹚有用推能源的机制，如图9中E3所示。本质所使用的2个录像头不错对图像标志点进行视频合成和3D默契重建。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阵势对暴跌进程安全性的影响，如图9中E4所示。Zhao等利用动作捕捉本事对视频中真确动物的默契进行了捕捉，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师法，从而简化了机器东说念主默契截至器的设想，并提高了机器东说念主的仿生度和交互才智。

升力、阻力等不雅测

为探究遨游器的气能源、水能源性能，需要搭建合适的本质环境。利用风洞、水洞环境和六维力传感器，有计划员不错对遨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对遨游器水/空能源性能的仿真完了。

Park等进行了风洞本质，有计划飞鱼遨游的空气能源学脾气，提供了飞鱼遨游的定性和定量数据，并对具有不同机翼阵势的真确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比好意思，况兼飞鱼具有一些与当代飞机疏导的阵势特征，相宜空气能源学的设想。Lock等利用应变测试仪合作水洞本质，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微型水下拖曳平台（水洞），考证了样机机翼设想的线性扑动观念，如图9中F3所示。Siddal等设想了风洞检修评估样机机翼性能和纵向相识性，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。在水洞本质中使用疏导的力进行均衡，阐发了风洞本质的测量。Hou等使用水下牵引平台来测试样机的水卑劣体能源性能，如图9中F5所示。牵引平台牵引样机默契，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张开和折叠景象的水能源性能。还进行了风洞检修，利用高频力均衡法辘集数据，有计划了乌贼样机的软体鱼鳍在风洞流场下的性能。Chang等为测试遨游器PigeonBot欠驱动的软生物夹杂变身机翼的有用性，在风洞中对机翼进行动态报复和彭胀，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默契才智。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本事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，以及它们从头聚积的细节，如图9中F7所示。

鼓吹力不雅测

鼓吹力不雅测可使用DPIV本事，其将图像处理本事与流场可视化、单点测速和多点测量本事相迷惑，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（或当然光）辐照下散布在流体中，在垂直方进取通过相机镜头的光学膜取得默契粒子的流体图像。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。

关于生物默契时造成的空气流场和水流场，如鸟拍打翅膀、鱼类拍打鳍等，DPIV本事不错对其进行可视化，进而长远揭示生物的鼓吹机制，为仿生学的鼓吹力探索提供切实可行的要领。Hedenström等使用DPIV本事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，顺利构建了新的基于涡流的蝙蝠遨游空气能源学模子，如图9中G1所示。Young等使用基于细心理翼默契学的三维测度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。之后对真确蝗虫使用烟雾可视化和数字粒子图像测速本事，考证了仿真完了，如图9中G2所示。Wen等迷惑DPIV与机电本事，定量测量了机器鱼的功率、尾流场和自鼓吹速率，从而对其效能进行定量测量，如图9中G4所示。DPIV测量完了浮现，同期具有伞形和钩形默契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本事对喷水鼓吹涡环进行有计划，进而对乌贼喷水鼓吹力产祈望制进行分析，如图9中G3所示。

挑战与瞻望

     

01水空跨介质飞翔器的结构折衷

AquaUAV的设想是为了在空中庸水中开脱穿梭出动。在空中，样机通过升力遨游，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，本有计划从2个角度总结了措置有筹画。

1）设想一种多模态结构，仿照不错入水的鸟类。具体来说，便是变后掠翼在空中张开以增多升力，并在水中折叠成纺锤形以减少流动阻力。但是，现存的变后掠翼本事还不行很好地均衡在水和空气中的共同稳当性。分析合计，可变刚度本事和折纸本事等一些本事的交融可能会促进样机的发展。

2）设想压载水舱，师法海洋生物，吸水下千里，需要飞到空中时通过喷水迟滞分量，从而滑翔更远的距离。该要领还有好多办法有待探索，举例有计划奈何贬低吸水和注水时分，奈何提高水气转变效能，奈何使水射流产生更大推力等。

02跨介质进程折衷

水空跨介质进程需要较大的爆发力，而在水下或空中飞翔时则需要相识的输出。在现存有计划中，螺旋桨不错提供相识的输出，喷水鼓吹不错高傲大爆发力的要求，但并不相识。因此合计，异日的有计划要点将至少有2个部分：一是长远有计划喷水鼓吹的可控神气，使其兼具爆发力和相识输出。二是将这2种鼓吹迷惑起来，分时段责任。但是，这会使结构变得浩瀚，因此将这2种能源耦合的微型化要领是一种潜在的措置有筹画。然后是能源供应问题。电板是一种常见的能源，常常用于螺旋桨鼓吹，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，举例微型氢氧燃料电板，可能会在异日措置这个问题。内燃机具有高能量密度，只需少许燃料即可完毕长续航。但是，内燃机的大分量使得样机难以进行跨介质默契。此外，通过捎带气体、液体和固体化学燃料，将化学能平直转变为动能亦然一个热点话题，如电石理解、丁烷气爆炸等。要而论之，在之后的有计划中，跨介质进程的燃料反应条款、反应产物的处理、样机可控性等方面仍需进一步探索。

03生物仿生度

在进化进程中，生物的躯壳结构趋于更好地稳当环境。因此，使样机与生物具有更高的相似性一直是仿生样机的设想筹画。但是，跨介质生物的躯壳结构复杂，必须对仿生进程的各个阶段进行长远有计划。举例：奈何精良网罗阵势数据，奈何准确建模，奈何获取要害特征，奈何将其应用到样机中，奈何评估和优化仿生学的相似性等。

本有计划总结了CFD本事在生物举止再现、生物或样机推力和升力的数据辘集、默契捕捉系统不雅察到的默契学数据的处理等方面的应用。这些有计划对促进仿生样机的改造起到了进军作用。但是，现存的CFD模拟大多都基于少许参数及拘谨，而生物体的种种阵势参数之间往往存在复杂的耦合联系。因此合计异日可能的有计划办法是增多更多的参数，合理设想模子降维解耦，以取得更全面的物理模子。此外，基于一些新式复合材料、柔性结构和夹杂鼓吹本事，降维后的耦合联系不错缓缓在仿生样机中完毕，进一步提高样机的仿生相似性。在异日，经过无数的CFD模拟并迷惑样机的本质不雅察，不错造成样机和生物体的相似性评价体系，以进一步诱导和优化仿生样机的设想。

论断

     

水空跨介质遨游器可极地面拓展遨游器的空间举止范围，两栖生物予以了其极大的设想灵感。本文从仿生角度起先，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设想要点及难点。进一步地，索取出机翼结构兼容性设想和能源与鼓吹两种要害本事进行细心分析。关于机翼，变后掠翼结构通俗相识但防碍了流线型外形，而软体机翼有更高的仿生度。关于能源与鼓吹本事，电机螺旋桨的鼓吹效能高，而射流鼓吹本事具有更高的瞬时功率和能量密度，有较大的有计划空间，因此总结了3类有潜在价值的能源神气。大概，螺旋桨与射流鼓吹相迷惑造成混动鼓吹的神气是一种更优的要领关于样机的考证，仿真和本质相得益彰。基于CFD本事可模拟并预测生物的跨介质举止，并对机翼的空气、水能源性能和鼓吹力仿真；愚弄默契捕捉本事、风洞水洞本质、DPIV本事将上述进程本质考证。

在仿生跨介质遨游器样机的有计划进程中，还有好多清苦需要克服，举例奈何更好地克服遨游器在水下和空中2种介质中的默契稳当性难题，如安在水、空2种介质中完毕快速、巩固的过渡，奈何克服传统的生物仿生度难题，奈何进一步提高样机默契的高效能等问题，是异日需要要点宝贵的问题。

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，副种植，有计划办法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，副种植，有计划办法为仿祈望器东说念主和康复援救医疗。

原文发表于《科技导报》2023年第2期。

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