同济大学开发出3D打印机器蜻蜓

蜻蜓具有极其出色的飞行性能，能忽上忽下、忽快忽慢、空中悬停，甚至做一百八十度的急转弯飞行, 让多数鸟类望尘莫及，故有“飞行之王”的美誉。近日，同济大学研究沈海军教授团队针对一种常见的蜻蜓 — 碧伟蜓展开了包括计算机建模、风洞试验、扑翼机制作在内的一系列仿生研究工作，并于本月初成功借助3D打印技术成功研制出了一架仿生微型电动遥控机器“蜻蜓”，同时进行了初步试飞。

据南极熊了解，这只机器蜻蜓的设计制作过程如下：首先，研究团队分析了蜻蜓的身体构造，然后采用CAD软件对其进行了3D数字建模，最后通过3D打印机打印出了其3D实体模型。

在设计阶段，研究人员根据蜻蜓的体态特征简化了翅膀、翅脉、头部、足部、胸部以及腰身部。他们结合扑翼飞机特点，设计并绘制出了相应的仿蜻蜓飞机的机翼、机身、起落架、发动机架等部件CAD模型；其中，蜻蜓的尾端被巧妙地设计成了飞机的方向舵。有了CAD模型，将其转化为STL文件格式，便可依次在3D打印机中打印出仿蜻蜓飞机的头部、翅膀、足以及身体等扑翼机部件。

给蜻蜓扑翼机选配动力和电子装备非常重要。根据以往的经验，研究人员精心挑选了7mm直径的有刷电机和相应的减速组作为动力，3.7伏特的的锂电池作为能源；发射/接收装备选择红外二通控制。其中，一个通道控制蜻蜓机翼的扑打频率，即飞行高度与速度，另一通道控制蜻蜓的航向。蜻蜓的方向舵选用自制的4mm线圈直径的微型电磁舵机。

将上述3D打印的“蜻蜓”部件、动力和电子装备组装起来，并在”蜻蜓”翅脉上铺设0.1mm的聚乙烯塑料薄膜，一个遥控的机器“蜻蜓”便基本完成，见图2。完成后的机器“蜻蜓”总重15克，翼展15cm，身长16cm。在加电和遥控下，蜻蜓的一对翅膀交互拍打，产升力和拉力；尾部的电磁舵可左右自如偏转，控制蜻蜓的航向。

为了确保动力系统与气动性能相匹配，加装了动力系统的3D打印机器“蜻蜓”在同济大学微小飞机实验室的风洞中进行了吹风实验。测试结果显示，该动力系统可产生十余克的升力和拉力，满足“蜻蜓”飞行的动力要求。这里，值得一提的是，本次实验所使用的风洞很特别，是不久前该实验室1:1成功复原的100余年前莱特兄弟所使用的风洞。该风洞原来的升力/阻力机械天平目前已被改造成了精度更高的电子天平。

3D打印机器“蜻蜓”进行风洞测试

在自然界千万年的进化中优胜劣汰，禽类、昆虫、飞鱼等动物练就了高超的飞行本领。相比之下，人类的航空史仅有百十年，因此，人类要自由翱翔，还有许多地方需要向动物学习。目前，利用三维打印技术，同济大学已相继成功研制了飞鸟扑翼机、仿生飞鱼滑翔机、机器蜻蜓等等。三维打印技术的出现，能够帮助我们揭示更多自然界中动物飞行的奥秘，为人类探究动物飞行增加了一种新的手段。

延伸阅读：《以假乱真！日本爱好者利用3D打印制作出仿生学扑翼机》

转自科学网沈海军教授博客