基于张拉整体结构的抗碰撞仿生翼无人机设计与性能研究

这篇综述创新性地提出了一种受啄木鸟启发的抗碰撞无人机设计策略，通过张拉整体结构（tensegrity）实现机身和机翼的冲击能量吸收。研究团队开发了SWIFT无人机系统，其仿生头部结构可降低70%冲击力，弹性肩关节设计能有效化解翼面撞击。该成果为复杂环境中安全作业的固定翼无人机（UAV）提供了突破性解决方案。

　　

引言

随着无人机（UAV）在复杂环境中的应用扩展，碰撞风险显著增加。传统多旋翼无人机虽可通过刚性框架实现碰撞防护，但固定翼无人机因机翼结构特性难以兼顾效率与抗冲击性。受啄木头部和鸟类肩关节的生物力学特性启发，研究团队提出采用张拉整体结构（tensegrity structures）——这种由离散受压杆件和连续受拉缆绳组成的超轻强韧架构，来设计新型抗碰撞无人机SWIFT（Shockproof Woodpecker-Inspired Flying Tensegrity）。

啄木鸟头部能承受1200g的冲击加速度，其保护机制包含四个关键子系统：刚性喙骨、环绕颅骨的弹性舌骨、多孔海绵骨层以及连接肌肉的肌腱网络。研究团队通过碳纤维杆模拟喙骨，弯曲碳片复制舌骨功能，弹性橡胶缆绳替代海绵骨层，最终构建出可吸收22cm冲击位移的仿生头部结构。鸟类肩关节则通过12组弹性缆绳网络连接机翼与机身，形成具有可变刚度的球型关节。

结构设计与优化

机身有限元分析

通过非线性静态有限元（FE）分析优化碳纤维层合板的等效弯曲厚度。当无人机以7m/s速度撞击时，1.25mm厚度的双碳纤维叠层结构展现出最佳能量吸收特性，可将电子设备承受的冲击加速度控制在28g以下。动态放大因子取保守值2时，仿真与实验数据误差小于15%。

机翼关节多目标优化

采用NSGA-II算法对机翼关节进行约束优化，目标包括：正常飞行时俯仰角（θ）和上反角（φ）均小于10°（承受8N升力），撞击时扫掠角可达90°（承受100N冲击）。从帕累托前沿筛选的优选方案显示，弹性模量2410MPa的热塑性聚氨酯（TPU）缆绳配合5mm²截面积，能实现最优力分布。

碰撞性能验证

头部撞击测试

对比实验显示，SWIFT在3m/s速度下的平均减速度仅为商用Bixler 3无人机的50%。高速摄影显示其仿生头部通过大变形吸收能量，而传统泡沫结构则发生塑性变形。在8m/s高速撞击中，SWIFT仍保持结构完整，仅需重新张紧缆绳即可复用。

机翼撞击测试

中段撞击时冲击力降低70%，翼尖撞击降低30%。弹性关节将动能转化为关节变形而非机体旋转，这与刚性机翼将40%能量转化为角动量的现象形成鲜明对比。双尾撑结构设计进一步提升了碰撞后的飞行稳定性。

飞行性能与展望

SWIFT巡航速度达10m/s，最大推力重量比0.75（5.5N推力/7.1N重量）。风洞测试显示其攻角超过30°时才进入失速状态，但弹性关节导致滚转振荡需通过变刚度缆绳（variable-stiffness cables）优化。研究指出该方法存在尺度限制——动能（∝L³）增长快于肌腱储能能力（∝L²），但可通过VTOL（垂直起降）配置拓展应用场景。

这项研究首次将张拉整体结构成功应用于固定翼无人机，为在建筑物密集区、森林巡检等高风险场景中实现安全飞行提供了新范式。未来可通过主动变刚度技术和流体结构耦合分析进一步提升性能。