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昆虫与仿生彩万志（中国农业大学昆虫学系）仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。(1)昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。(2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。(3)昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。(4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。(5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。一、虫型飞机的概念昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。虫形飞机是一类特殊的微型飞行器，它不是简单的普通飞机的微型化，而是一类高度集成化的智能机器人。因此，该类飞行器又被称为飞行机器人、机器虫、微机械飞虫、多型电机虫等。按照虫形飞机的权威，美国佐治亚技术研究所RobertMichelson博士等的定义，虫形飞机指用人造肌肉技术制造的能短距离平飞并定位着陆的机器人化微型飞行器。本文中的虫形飞机是指体积像昆虫一样大小的飞行器，也就是广义的虫形飞机。微型飞行器的概念，是美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员首次提出的。1992年，美国国防部国防高级研究计划属就开始进行这方面的论证工作，并把它们的尺寸规定在15厘米以下，重量10~100克，有效载荷1~18克，巡航速度30~60千米/小时，续航时间20~60分钟，航程大于10千米，最高飞行高度可达150米。这种飞行器具有导航及通信能力，可用手掷或飞机操纵，具有侦察成像、电磁干扰等作战效能，能一次性或多次性使用。近年来，这方面的研究取得了可喜的成果。2000年7月，美国专利局还为Michelson所发明的多型电机虫注册了专利，这意味着虫形飞机将从实验阶段进入商业化阶段。二、虫形飞机的用途虫形飞机具有自主飞行、携带任务载荷执行特定任务、通信及传输信息等基本特征。由于微型飞行器具有体积小、重量轻、隐蔽性好、功能强、携带方便等特点，在军事和民用领域，都具有十分诱人的应用前景。在军事方面，这些机器虫在空中飞行，不仅肉眼很难发现，就是雷达探测器也很难探测到，即使被“看”到，也可能会误认为是一只普通的昆虫。甚至这种飞行器飞入房间、停在墙上也不会引起人们的注意。所以，虫形飞机能完成一些大型武器所不能完成的任务，如用于街道密集、高楼耸立的城市作战时，对特定目标进行监视、监听和跟踪；像一只蜜蜂钻到敌方的指挥部、情报室内窃听军事机密，收集视觉、化学和生物情报，然后把这些准确的情报送回操作者手中；在倒塌的建筑中寻找幸存者或侦查藏匿在深山中的恐怖分子的动向；也可用于清扫战场、检测有毒化学物品；还可以携带高能炸药引爆弹药库，炸毁坦克、大炮、飞机，甚至飞入设在地下的敌方指挥部，炸死那些正在地图前指挥作战的将领们。这一切都令敌方防不胜防。此外，它们还可以用作雷达干扰器。当虫形飞机飞至雷达附近时，对雷达进行有效的干扰。一些发达国家军方为此投入了大量的人力物力，以期取得战争的主动权。当然，虫形飞机还可用于野外勘察、环境监测和保护、科学探险、航空摄影等工作。比如，监视和消灭害虫或为农作物授粉、跟踪野生动物群、巡逻牧场、监控道路交通、在高耸的烟囱上测量废气排放量、监测溢出化学物的浓度、监视犯罪团伙等等。不仅如此，虫形飞机在医学上的用途更大。负责研制机器蝇的Fearing博士，曾设想用苍蝇大的虫形机器人进行人体腔内手术；当然也可直接从经口或鼻孔进入胃中，就像《西游记》中的孙悟空变成蝇子进入铁扇公主肚子里那样。有的科学家甚至建议，将虫形飞机“派往”龙卷风中心，了解龙卷风的成风机制。如果上述设想都能实现的话，那么，虫形飞机将给科学研究和人们的生活带来多么大的方便。三、虫形飞机的类型近年来，各国的研究者们设计出多种虫形飞机，根据其结构和飞行原理，大致分为4类。1.无翼虫形飞机智能控制的无翼虫形飞机是近年来颇受重视的方向，美国、法国、日本等均有人在研究。2.固定翼虫形飞机从传统的固定翼虫形飞机演变而来，在目前众多的设计模型中尚占有一定比例。如美国AeroVironment公司的BlackWidow、Sanders公司的MicroStar等。后者曾被美军用于阿富汗战场，海军陆战队士兵可以通过便携式电脑的画面，操纵“微星”侦察机，侦察前方5千米的情况。3.旋翼虫形飞机从传统的直升飞机演变而来。主要以美国Lutronix公司的Kolibri、斯坦福大学的Mesicopter等为代表。我国上海交通大学薄膜与微细技术实验室主任蔡炳初教授及其合作者研制的双螺旋桨微型飞机即属此类。德国前些年就已研制出只有黄蜂般大的直升机。4.扑翼式虫形飞机模拟昆虫飞行设计而成。严格地说，只有这类微型飞行器才能称为虫形飞机。1998年初，加利福尼亚大学以Fearing博士为首的实验室，开始研制一种扑翼式虫形飞机叫“机器蝇”，这种虫形飞机只有普通苍蝇大，样子也像苍蝇。这种虫形飞机重约43毫克，直径为5~10毫米。目前美国国防部国防高级研究计划属有10余项虫形飞机大型研究计划在进行，包括了上述4大类虫形飞机。四、虫形飞机的研制难点虫形飞机微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是微电子机械系统集成技术的产物。过去20年的研究表明，开发一种像昆虫一样的飞机绝非易事。在研制方面的困难主要有三大个方面。1．气动设计关于大型固定翼和直升飞机的设计已是一项比较成熟的技术，但这些方法在用于虫形飞机的设计时均告失败。如果按传统空气动力学计算，昆虫升力远小于昆虫的重力，理论上昆虫不能飞行。显然用以往的常定的、非定常流体力学原理不能解释昆虫的飞行，而用于大型飞机设计的方法也无法应用于虫形飞机的设计，特别是无法用于扑翼型虫形飞机的设计。所以，研究昆虫的功能形态学、飞行动力学一直是近年来各国学者关注的热点。2．微型动力既能装在微型飞行器内，又要能储备足够的能量，除维持飞行器的飞行外，还能对机载设备提供能源。近年来，西英格兰大学（UniversityoftheWestofEngland）的研究者正在进行一项研究，希望能发明一种方法，让微型飞行器也能像鸟类和蜜蜂那样，靠自己摄取食物来产生能量，以便成为一种新型的、独立工作的机器人。该小组已经研制了一种使用生物燃料电池的机器人。这种机器人是通过微生物燃料细胞提供动力，而微生物燃料细胞能消化死苍蝇及腐烂的苹果等。这样微生物燃料电池就能作为一个“软系统”来加以使用，以驱动虫形飞机。3．自动控制系统因为这种飞行器与无线电遥控飞机模型完全不同，需要自主飞行。澳大利亚国立大学的一个科研小组在仿生学的基础上，通过对几种昆虫的研究已经研制出虫形飞机，它们有蜻蜓的灵活和敏捷，蜜蜂一样的定位准确。科学家根据蜻蜓、蝇子、蜜蜂等昆虫的复眼构造研制出的电子复眼模型，可以通过测量紫外光和绿光的分布保持水平飞行，从而解决了在火星过于稀薄的大气中平稳飞行的问题。而导航问题的解决则得益于对蜜蜂的研究，火星上没有GPS系统，也没有可以判断方向的磁场，所以地球上常用的导航方法到火星上便失去了作用，而蜜蜂是使用天空中的磁偏振图形、陆地标志、飞行距离相结合来导航的。2003年，这个研究小组研制出了成熟的、有实用价值的导航传感器，2004年，又对这种小型飞机做出了最终测试，并计划让这些虫型飞机在2007年探测火星Marineris峡谷中的岩石结构。此外尚有机载设备微型化、用于数据传送的电源、飞行稳定性操纵性与控制技术等方面的挑战。五、昆虫学家的可能贡献虫形飞机的研制是典型的重大高科技仿生学工程，需要昆虫学、自动化、电子学、力学、机械制造、神经学、控制论等多学科的密切协作。在昆虫学方面应该系统地研究具翅昆虫不同分类阶元(目、亚目或总科级)代表种翅的结构、类型，测量各代表种体的长宽、体干重、活体重、翅的长宽及面积、革片长度、厚度与面积，分析各被测数据的相关性；解剖翅运动相关肌肉与神经系统的拓扑形态，分析期能量供应机制；测定和观察各代表种在自由飞行及吊飞情况下的翅振频率、翅振幅度、翅面扭转及运动状态；测量各代表种体的飞行距离、飞行时间和飞行速度等。昆虫飞行远比我们从外表所看到的复杂得多。科学家们对昆虫飞行的空气动力学的研究表明，昆虫飞行时并不是无规则地随意摆动其双翅，而是每次振翅都力求获得空气动力学上的最佳效率。如郡王蝶在飞行中不时地故意扇动翅膀造成涡流，以达到增加额外浮力的目的。在高速摄像机的帮助下，研究者发现了蝴蝶上下翻飞、旋转翅膀、在空中保持不动等6种不同的模式；在效率方面，蝴蝶翅膀产生的浮力至少是目前最先进的飞机的10倍。能飞之昆虫种类繁多，翅的类型不一，飞行时起主要作用的翅情况各异，因此系统地研究翅的功能形态与飞行的关系非常必要。譬如，仅昆虫的个体间大小差别就很大。现生的最大的蛾子是产于中、南美洲的强喙夜蛾Thysaniaagrippina，其翅展可近达320毫米，亚力山大凤蝶Ornithopteraalexandrae的翅展可达300毫米；产于我国南部的乌桕大蚕蛾Attacusatlas的翅展可达300毫米，身体最粗壮粪蜣身体的直径可达50毫米，巨犀金龟Dynasteshercules的体长达180毫米。而最小的一些寄生性的膜翅目昆虫成虫的体长在0.2毫米以下；不同大小的昆虫飞行时空气动力学状态会有一定变化。另外，有些昆虫用两对翅飞，有的用一对前翅或一对后翅飞；有的白天飞，有的夜里飞；有的在飞行中捕食，有的在飞行中交尾；有的能倒飞，有的能悬飞。深入研究各类具有飞行能力昆虫的空气动力学机制，能为虫型飞机的研制提供必要的