^［41-43］，如图13（b）所示，采用微型无刷电机驱动，微型锂电池供电。

图13   电机驱动的微型扑翼飞行器Fig.13   Motor driven micro flapping wing vehicle

2013年美国普渡大学生物机器人实验室开始研制一种用于高频扑翼的电磁驱动器^［44］，如图14（a）所示，并于2015年采用电磁驱动器研制出一款质量为2.6 g的扑翼飞行器^［45］，并实现样机的成功起飞。国内上海交通大学研究团队于2016 年研制出一款电磁驱动扑翼机器人^［46-47］，如图14（b）所示。该机器人的质量为80 mg，翼展为 35 mm，采用电磁驱动控制，是当时公开报道的最小的电磁驱动扑翼机器人。

图14   电磁驱动的微型扑翼飞行器Fig.14   Electromagnetic driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学Wood团队于2007年研制出世界上首款成功起飞的压电驱动微型扑翼飞行器HMF^［48-49］，采用PZT-5系列压电片作驱动器，质量为60 mg，翼展30 mm；该团队通过对HMF的改进，研制了运动解耦式扑翼飞行器Robobee^［50-53］，质量为80 mg，翼展30 mm，可多自由度运动，并采用太阳能供电^［54］，于2019年实现脱线起飞，如图15（a）所示。2018年，华盛顿大学的Yogesh等研制了一款压电驱动微型扑翼飞行器RoboFly^［55］，该款机器人采用横向布置驱动机构，如图15（b）所示，并通过使用激光器远程供电［56］实现了无线起飞。

图15   压电驱动的微型扑翼飞行器Fig.15   Piezoelectric driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学的陈宇峰^［57］在Robobee的基础上改进，给飞行器添加了集气室、四个平衡梁、浮力支腿以及相关电化学设备，如图16（a）所示，该款飞行器采用压电、浮力和爆破力的混合驱动方式，可实现水中浮游、冲出水面和继续飞行三种功能。2019 年，该团队还采用介电弹性体执行器（DEA）^［58］驱动，研制了一款鲁棒性较好的微型扑翼飞行器^［59］，如图16（b）所示。2021年丰田中央研究所报道了一种新型无线射频电源^［60］，可用于驱动昆虫仿真扑翼飞行器。其功率质量比密度为4900 W/kg，比等质量的锂聚合物电池高出5倍，并利用该系统，演示了1.8 g飞行器的无线起飞，如图16（c）所示。2022年，布里斯托大学开发了一种液体放大拉链执行器（LAZA）驱动的微飞行器^［61］，如图16（d）所示，飞行器机翼带有负电荷，机翼周围有电介质液体，正电荷交替转移到机翼两侧的壁上，使机翼摆动，翼展50 mm，飞行器最大速度 18 个身长每秒，功耗243 mW。

图16   其他驱动方式的扑翼飞行器Fig.16   Ornithopter vehicle with other modes of drive

3.4　系统级能力

微纳扑翼飞行器作为一个完整的机器人系统，其携带载荷的能力和续航时间是其未来投入应用的重要技术指标要求，当前研制的微纳扑翼飞行器主要分为仿蜂鸟型和仿飞行昆虫两类，其中仿蜂鸟型的微纳扑翼飞行器具有一定的载荷和续航能力，但其体积和质量较大，通常质量达数十克，翼展通常超过10 cm，仿飞行昆虫类的微纳扑翼飞行器体积和质量小，但其基本无负载能力和续航能力。如美国航空环境公司研制出的Nano Hummingbird仿蜂鸟微型扑翼机器人^［30］，该机器人质量为19 g，翼展16.5 cm，扑翼频率30 Hz，可无线遥控飞行约4 min，西北工业大学的宋笔峰团队设计的信鸽，质量约为200 g，翼展大约为50 cm，最大的飞行速度可达40 km/h，最长的续航时间为30 min，装备了高清的摄像头和GPS天线以及飞行控制系统和卫星通信链。哈佛大学仿蜜蜂微飞行器RoboBee X-wing^［54］和华盛顿大学的仿蜜蜂微飞行器RoboFly^［56］均采用光能供电实现毫克级扑翼微飞行器的无缆起飞，但受能源和质量限制，此类飞行器目前的负载能力和续航能力较弱。未来投入应用的微纳扑翼飞行器通常质量为500 mg~10 g之间，尺寸在1~10 cm之间，这样的尺寸范围既保证机器人具有极高的隐蔽性，又能够搭载一定功能载荷，如图像探测、录像录音等功能，飞行高度需达3~5 m，飞行速度应与蜜蜂、蜻蜓等昆虫相仿，同时需要具备一定续航能力，持续工作时间需达数十分钟。目前所研制的微纳扑翼飞行器在系统级能力上尚未达到要求。

4 微纳扑翼飞行器发展挑战与应用

4.1　发展态势挑战

虽然微纳扑翼飞行器在设计方案、加工工艺、驱动方法、系统集成、感知与控制等方面取得了一系列进展，但距离实用化仍然有一定距离，主要面临以下技术挑战：（1）微纳扑翼飞行器需要全新的设计方案，当前的微纳飞行器在技术路线和结构设计方案上限制了其进一步微型化和集成化，且噪声较大，在较安静的室内环境易暴露；（2）微纳扑翼飞行器对仿生“功构一体”智能材料与结构的需求迫切，现有微纳飞行器的材料和结构通常功能有限，为了增加其功能需要叠加使用，制造组装过程复杂，与微纳飞行器苛刻的体积和质量限制产生根本矛盾；（3）微纳扑翼飞行器对智能化感知与信息处理系统的集成化程度提出了苛刻要求，微纳飞行器既包含智能信息处理算法的软件集成，又包含机械、能源、传感等多个模块的高度硬件集成，是对当前微机电系统制造能力与综合集成能力的巨大挑战；（4）微纳扑翼飞行器对高效率仿生能源供给与转换装置提出了迫切需求，微型化对能源的能量密度以及能源转换装置的转换效率都有比较高的要求，现有能源存储与转换方法难以满足要求；（5）微纳扑翼飞行器的自主感知与集群控制难以实现，目前绝大多数微纳飞行器均只包含运动机构，其姿态测量和信息处理系统通常在超微机器人外部，更无法携带相关感知和探测载荷，主要原因是体积和功耗约束下负载能力极为有限，感知系统集成化程度低，要实现自主感知与集群控制非常困难。