● 摘要
随着微加工、信息、生物等学科的飞速发展，微型飞行器（Micro Air Vehicle）的体积正在从鸟类尺寸（数十厘米）缩小至昆虫尺寸（几厘米），飞行方式也从传统的固定翼/旋翼飞行向扑翼飞行过渡。对于昆虫尺寸的微型扑翼飞行器，其用于产生升力的动力装置（简称微型扑翼动力装置）需要在非常微小的空间内实现能量的高效转换和输出，是对现有科学与技术的一个挑战。本文借鉴飞行昆虫振翅的自律运动（属于一种自激振动），根据实验室中发现的微梁在静电场中的自激振动现象，提出了一种新型的静电驱动的微型扑翼动力装置，围绕该动力装置开展了工作原理、结构设计、动力学建模以及疲劳试验等4方面的基础研究。
论文首先发现了微梁在静电场中的参数振动和自激振动现象，并提出了基于参数振动和自激振动原理的两种新型静电驱动器。基于参数振动的静电驱动器，其输出位移随着输入电压的增加而呈现非线性增长，从而达到同等条件下传统静电驱动器（基于受迫振动）的3.8倍。基于自激振动的静电驱动器，能够仅在直流电压输入下产生大幅且运动状态可调的自激振动，其输出位移可以达到厘米量级，可调的运动状态包括运动轨迹和振动阶次。
以上述基于自激振动的静电驱动器为核心，论文设计了一套扑翼结构（由扑翼振子、支撑梁、电极等组成），并配以控制系统，发展了一种静电驱动的微型扑翼动力装置。该动力装置能够在直流电压的驱动下，带动两个翅膀做拍动叠加扭转的仿生运动，其中拍动角度（全幅值）可达48.5°，扭转角度（全幅值）可达50°，工作频率为50-70Hz。目前，该动力装置已经能够产生有效升力（31μN左右），实现了扑翼振子的沿导轨向上飞行。
针对微型扑翼动力装置中的扑翼结构，论文开展了动力学建模与求解。建立了扑翼结构的双自由度耦合的动力学模型，包括拍动方程和扭转方程，其中的耦合项为气动弯矩（拍动）和气动扭矩（扭转）。求解上述方程组可得到扑翼结构的性能规律：调节直流电压和电极间距，可改变扑翼结构工作过程中的扭转角度，从而控制升力大小；扑翼结构的升重比可随其结构尺寸的减小而大幅改善。
最后，针对扑翼结构中的主要振动部件—微梁的疲劳和寿命问题，论文提出了一种基于自激振动原理的疲劳试验装置。与以往的疲劳试验装置相比，该装置允许多个试件同时试验，无需预制缺口/裂纹即可使循环应变幅值达到1.094%，产生典型的低周疲劳断裂。疲劳试验结果可用于扑翼结构的寿命评估，发展的疲劳试验装置可用于其他形状微结构的疲劳试验研究。
综上所述，本文基于仿生学原理，利用微梁在静电场中的自激振动来模拟昆虫飞行肌肉的自律运动，直接驱动翅膀进行仿生扑动，发展了一种静电驱动的微型扑翼动力装置。理论与试验研究表明，该动力装置具有结构简单、输出位移大、能量转化效率高、易于微型化等优势，非常有希望应用在未来昆虫尺寸的微型飞行器。