昆虫尺度仿生自稳定微型飞行器：基于不倒翁原理的被动稳定飞行突破

为解决昆虫尺度扑翼微型飞行器(FWMAV)在动态不稳定性与载荷限制间的矛盾，研究人员创新性地提出圆柱对称阻尼器结构，通过优化V型翼构型和压电直接驱动系统，开发出质量仅204mg的微型飞行器，实现提升41.5%升力性能的同时，使垂直方向稳定时间较传统十字阻尼器提升5倍，首次在开环状态下完成15秒无系留悬停及抗干扰自恢复飞行，为微型自主飞行系统设计提供新范式。

　　

在仿生机器人领域，昆虫尺度扑翼微型飞行器(FWMAV)因其卓越的机动性和隐蔽性备受关注，但动态不稳定性与有效载荷间的矛盾长期制约其发展。传统主动控制系统因传感器和电路重量限制难以应用于亚克量级平台，而被动稳定方案又存在持续时间短、抗干扰能力弱等缺陷。

针对这一挑战，国内某研究机构团队受不倒翁力学原理启发，开创性地将圆柱对称阻尼器与V型翼压电驱动系统结合。通过压电陶瓷(PZT-5H)直接驱动、碳纤维-聚酰亚胺(PI)复合翼一体化成型等关键技术，研制出质量仅204mg、翼展68mm的原型机。该设计通过优化涡流分布产生三维恢复力矩，在垂直轴实现各向同性阻尼效应，使无控悬停时间突破15秒，较传统方案提升20倍。

关键技术包括：(1)超快激光微加工实现25μm碳纤维预浸料与3μmPI膜的翼面复合；(2)压电驱动器d₃₁系数达-320pm/V的PZT-5H陶瓷片堆叠；(3)基于运动捕捉系统(OptiTrack)的50fps飞行姿态追踪；(4)共振频率89Hz下的分周期驱动控制。

【设计与性能】
研究团队开发的圆柱阻尼器采用碳纤维骨架-PET膜复合结构，将气动压力中心置于机器人质心上方。测试显示，优化后的V型翼升重比达3.73，结构不对称误差降低40%，为被动稳定奠定基础。

【抗干扰验证】
在2.6km/h风速干扰下，飞行器能在0.7秒内恢复稳定。机械翻滚实验中，机体通过370mm坠落过程自主修正姿态，首次实现无控状态下的翻转自恢复。

【长效性测试】
压电驱动器连续工作24小时性能衰减<5%，整机无故障飞行时间超40分钟，证实系统可靠性。

该研究突破性地解决了微型飞行器"轻量化"与"稳定性"不可兼得的技术悖论。圆柱对称阻尼器的各向同性阻尼特性，为开发不依赖外部传感的自主微飞行系统开辟新途径。未来通过压电陶瓷驱动电路微型化和气动/惯性复合控制算法开发，有望推动FWMAV在灾害救援、环境监测等领域的实用化进程。论文创新成果发表于《Research》期刊，被同行评价为"微型飞行器被动控制领域的里程碑式进展"。