中国科研团队提出不倒翁飞行器，让毫克级机器人撞不倒、风不扰

在微型仿生飞行器（FWMAV）领域，科学家一直尝试让机器人像昆虫一样，在毫克级体量下实现精准悬停与灵活机动。但问题在于：尺寸越小，空气扰动越强，控制越困难。任何轻微的气流波动，都可能让飞行器失去平衡、坠落或翻滚。

传统的解决方案是依赖外部系统——光学定位、线缆供电、计算机反馈控制。然而，这些“辅助”一旦拆除，微型飞行器往往无法维持两秒以上的稳定飞行。哈佛大学的RoboBee、MIT的DEA仿蜂飞行器都是代表性成果，但它们仍未能摆脱对外部视觉与电源的依赖。

在昆虫尺度下，控制器的重量、功耗和响应延迟成为无法跨越的门槛。要让这类飞行器真正“独立飞行”，唯一的出路，或许是不依靠算法和传感器，而是让结构自己去“找平衡”。

▍提出Tumbler FWMAV，让飞行器像不倒翁一样“自己站稳”

基于这一思路，来自国防科技大学的吴学忠、肖定邦团队提出了一种全新的飞行机制——“不倒翁式”扑翼微型飞行器（Tumbler FWMAV）。

该研究的突破点在于颠覆了微型飞行器依靠外部控制的传统路径。团队提出的“不倒翁式自稳结构（Tumbler-typepassivestabilization）”理念，核心思想是让气动力学本身成为控制系统的一部分。

在设计上，研究人员借鉴了不倒翁玩具的自恢复原理：当外力使其倾斜时，重心偏移会产生一个恢复力矩，使其自然回到平衡点。将这一概念移植到飞行器上，研究团队通过气动对称性设计与阻尼耦合机制，让飞行器在受到风扰或姿态偏转时，机体能通过空气流动自动产生恢复力。

与传统的“电控自稳”相比，这种方式完全不依赖传感器、芯片或算法反馈。当飞行器姿态偏移时，机身的非对称气流会在下方形成瞬态压力差，这个压力差会被转换为矫正力矩，使机体自动回正。

团队还通过流固耦合仿真对不同几何参数进行了系统优化，发现当机体下方采用圆柱对称阻尼舱体时，稳定恢复力矩的响应速度提升了约4倍，而能量损失几乎不增加。这种“被动稳定”的策略使得飞行器可以像昆虫那样在不依赖外部感知的情况下维持飞行姿态，哪怕在扰动环境中，也能“自己找到平衡”。

这种结构—气动耦合的新思路，不仅为昆虫级FWMAV提供了一条可行的自稳路径，也为微型机器人在极端环境中的可靠运行提供了新的工程范式。前不久，该研究成果的相关论文已以“An Insect-Scale Flapping-Wing Micro Aerial Vehicle Inspired by Tumblers Capable of Uncontrolled Self-Stabilizing Flying”为题发表在Research上。

▍241毫克的“气动不倒翁”如何实现？

Tumbler FWMAV的整机重量仅为241毫克，翼展68毫米，驱动采用高能效压电致动器。整机结构由三大部分构成：扑翼模块、阻尼舱体与支撑框架。其中，阻尼舱体正是实现自稳定的关键设计。

为在毫克级的尺度下实现有效的力矩反馈，研究人员将机体下部设计为环形气腔，内部采用轻质碳纤维骨架与高分子薄膜封装。当飞行器姿态偏移时，气流进入气腔并形成非对称涡流，从而在机体底部产生一个与偏转方向相反的恢复力矩。由于该过程完全依赖空气动力效应，因此响应几乎是瞬时的。

同时，为克服微尺度下的制造公差与装配误差，团队采用了多目标参数优化算法，在翼频、振幅与结构阻尼之间实现动态平衡。仿真与实验结果表明，最佳参数组合下的升力提升可达41.5%，左右翼升力差异降低40%，升力-重量比达到3.73。

在飞行稳定性方面，这种结构的固有频率与外界扰动频率之间呈“非共振”关系，从而天然具备抗扰特性。即使在外界风速变化时，机体产生的恢复力矩依然能够维持平衡。团队将这一现象称为“结构自觉性”：即飞行器无需主动感知外部扰动，也能通过自身几何与气动力特征“感受”并纠正偏差。

这种理念的实现，标志着昆虫级扑翼飞行器开始具备“物理层面的智能”，为后续“无算法控制”的轻量化自稳定系统奠定了基础。

▍性能验证：从撞击、风扰到翻滚复飞

实验验证部分，是Tumbler FWMAV展示其实力的关键。

研究团队针对自稳定性能，设计了三类典型工况实验：气流干扰试验、碰撞扰动试验与翻滚恢复试验。

在气流干扰测试中，研究人员使用可控风源以2.6km/h的风速侧吹飞行器。在完全开环、无外部定位与控制辅助的状态下，飞行器仅发生轻微偏摆，并在1秒内自动恢复悬停姿态。相比传统FWMAV结构，其姿态恢复时间缩短约80%，恢复角度误差减小至原先的1/5。

在碰撞扰动实验中，研究人员用轻质棒触碰飞行器翼尖，模拟昆虫在自然环境中遭遇叶片或障碍物的情况。测试结果显示，飞行器受扰后并未坠落，而是通过下部涡流对称性重新获得升力平衡，在0.8秒内恢复悬停。

最具代表性的是“翻滚实验”：飞行器被外力推翻，使机体完全倒置后，空气流经阻尼舱体时产生反向升力矩，使其在空中完成一次“自我翻转”。整个过程无需任何外部感知与控制指令，纯粹依靠物理反馈完成“自救”。

在持续飞行测试中，Tumbler FWMAV在240Hz驱动频率下可连续悬停40分钟以上，系统温升仅4℃，说明压电驱动器与阻尼结构的匹配稳定。

与哈佛RoboBee、MITDEA仿蜂系统等国际同类研究相比，Tumbler FWMAV在悬停时长、抗风扰恢复速度与系统鲁棒性上均表现出显著优势，成为首个在无外部辅助条件下实现完全自稳定飞行的毫克级扑翼机器人。

▍结语

项目负责人指出，这项研究的核心在于“让结构成为控制系统”的理念转变。通过气动布局与几何优化的结合，研究团队证明，在极端轻量的飞行平台上，仅依靠物理特性也能实现高度鲁棒的飞行行为。

未来，团队计划继续探索基于拓扑优化的翼型设计与流固耦合仿真，以进一步提升升力效率；同时开发轻量化高压驱动与高能量密度电源，实现真正意义上的无线自主飞行。

此外，研究人员还计划将被动稳定与主动姿态控制融合，构建三轴自主控制系统，让昆虫级飞行器从“自稳”迈向“自控”。

参考文章：

https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0787#abstract