一只在侧风中转弯的鸟不会依靠旋转螺旋桨来保持姿态。它的翅膀会弯曲、扭转，并即时对气流变化做出反应。罗格斯大学的工程师正试图把这种能力带到无人机上，他们在研制类鸟振翅无人机方面取得了重要进展：这种飞行器像真正的鸟一样拍打翅膀，并用电驱动智能材料取代传统的电磁马达。

在发表于《航空科学与技术》期刊的一项研究中，航空航天研究人员 Xin Shan 和 Onur Bilgen 介绍了一种“固态”类鸟无人机（振翅机）。它的柔性机翼在没有马达、齿轮或机械连杆的情况下，就能完成拍打和扭转动作。该系统依赖压电效应——一种在施加电压时会改变形状的特殊材料特性。

Bilgen 解释说：“我们对压电材料施加电压，它们就能直接驱动表面运动，不需要额外的关节、连杆或马达。”

机翼本身是由压电材料层与碳纤维层叠加而成的复合结构。当对压电层加电时，整个复合翼会发生弯曲，从而实现拍打和变形。

凭借这种类鸟设计，振翅机具备高度的机动性和柔顺性，非常适合执行未来可能出现的多种任务，例如搜救行动、环境监测、难以抵达区域的巡检，以及在城市环境中进行包裹投递等。在这些场景中，无人机需要在建筑物、电线和人群等复杂障碍之间灵活穿行。

振翅飞行的物理建模

研究团队还构建了一个综合性的计算模型，将振翅飞行中关键的物理过程统一到同一框架中：包括机翼与机身的运动、空气动力学行为、电气驱动特性以及控制系统架构。借助这一模型，工程师可以在制造实体原型之前，先在虚拟环境中测试和优化设计，从而节省时间和成本，加快研发进度。

“我们在一定的材料假设条件下，从科学上证明了这种振翅机是可行的，”Bilgen 表示。“我们能够验证那些尚未在实验室中真正制造出来的设计方案的可行性。”

目前的主要瓶颈在于压电材料本身的性能。

“现有压电材料的性能还达不到理想水平，”Bilgen 说。“不过，我们的数学模型可以在合理的材料假设基础上，预先评估未来材料性能提升后可能实现的飞行能力。”

Bilgen 在 2007 年读研究生时首次接触振翅机研究，但直到 2013 年，他开始系统思考如何利用智能材料重新设计振翅飞行，这一领域才真正成为他的长期研究方向。

目前已有多家公司研制出实验性的类鸟无人机，但大多数设计仍依赖马达、齿轮和传统执行器来驱动机翼运动。

Bilgen 指出，这类机械系统很难达到自然鸟翼的表现——自然的翅膀会持续弯曲，并对不断变化的气流做出细腻响应。

从自然汲取灵感，而非简单复制

在 Bilgen 看来，自然界为工程设计提供了强有力的启发。

“凡是需要快速运动的结构，都必须尽可能轻，”他说。“这就是鸟翼结构既轻又精巧的原因，也是飞机机翼在形态上模仿鸟翼的原因。”

虽然鸟类和昆虫是这项研究的重要灵感来源，但 Bilgen 强调，他们的目标并不是简单复制自然结构。

“我们不只是想模仿自然，”他说，“而是希望在某些方面超越自然。”

迄今为止，多数机器人鸟原型都采用模仿骨骼和肌肉的机械结构来实现振翅。Bilgen 团队则选择了一条更简化的路线。

“我们的目标是实现不依赖骨骼框架或肌肉式执行器的振翅飞行，用更直接的方式让机翼拍打起来，”他说。

为此，他们没有使用马达作为“肌肉”，而是在柔性机翼表面直接粘贴称为宏纤维复合材料（MFCs）的细长条带。当电流通过这些 MFCs 时，机翼就会发生拍打、扭转和形变。

“碳纤维在结构上相当于羽毛和骨骼，而表面贴装的 MFCs 则扮演肌肉和神经的角色，”Bilgen 解释道。

由于整个系统没有齿轮或机械关节，研究人员将其称为无机械结构或固态振翅机。

与传统无人机的旋转螺旋桨相比，振翅机翼在小尺度上具有明显优势。“当振翅机翼与环境发生接触时，对自身和接触物体造成的损伤通常更小，”Bilgen 说。

智能材料的更广泛应用前景

压电材料以及其他智能材料的应用，潜力并不局限于无人机。

“风力涡轮机的叶片本质上也是一种旋转的机翼，”Bilgen 指出。“我们一直在探索将压电材料集成到涡轮叶片中，评估是否能带来空气动力学方面的收益。”

通过在运行过程中实时微调叶片形状，工程师有望改变气流在叶片表面的流动方式，从而提升风力涡轮机的整体效率。