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同济大学科学家成功研制出3D打印机器蜻蜓

2016-03-08 08:52
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  蜻蜓具有极其出色的飞行性能,能忽上忽下、忽快忽慢、空中悬停,甚至做一百八十度的急转弯飞行, 让多数鸟类望尘莫及,故有“飞行之王”的美誉。近来,针对一种常见的蜻蜓---碧伟蜓,借助3D打印技术,同济大学研究沈海军教授团队开展了计算机建模、风洞试验、蜻蜓扑翼机制作等一系列仿生研究工作,并于本月初成功研制了一架仿生微型电动遥控机器“蜻蜓”,同时进行了初步试飞。

  为了设计该仿蜻蜓微型扑翼机,研究团队先深入了解了蜻蜓的身体构造。他们采用CAD软件对碧伟蜓进行了几何实体建模,然后通过3D打印机打印出了该蜻蜓的三维实体模型,见图1。

图1  3D打印的1:1蜻蜓实体模型

  图1  3D打印的1:1蜻蜓实体模型

  接着,参照碧伟蜓的特征,研究人员简化了蜻蜓的翅膀、翅脉、头部、足部、胸部以及腰身部。他们结合扑翼飞机特点,设计并绘制出了相应的仿蜻蜓飞机的机翼、机身、起落架、发动机架等部件CAD模型;其中,蜻蜓的尾端被巧妙地设计成了飞机的方向舵。有了CAD模型,将其转化为STL文件格式,便可依次在3D打印机中打印出仿蜻蜓飞机的头部、翅膀、足以及身体等扑翼机部件。

  给蜻蜓扑翼机选配动力和电子装备非常重要。根据以往的经验,研究人员精心挑选了7mm直径的有刷电机和相应的减速组作为动力,3.7伏特的的锂电池作为能源;发射/接收装备选择红外二通控制。其中,一个通道控制蜻蜓机翼的扑打频率,即飞行高度与速度,另一通道控制蜻蜓的航向。蜻蜓的方向舵选用自制的4mm线圈直径的微型电磁舵机。

图2 同济大学最新研制的3D打印机器“蜻蜓”

  图2 同济大学最新研制的3D打印机器“蜻蜓”

  将上述3D打印的“蜻蜓”部件、动力和电子装备组装起来,并在”蜻蜓”翅脉上铺设0.1mm的聚乙烯塑料薄膜,一个遥控的机器“蜻蜓”便基本完成,见图2。完成后的机器“蜻蜓”总重15克,翼展15cm,身长16cm。在加电和遥控下,蜻蜓的一对翅膀交互拍打,产升力和拉力;尾部的电磁舵可左右自如偏转,控制蜻蜓的航向。

  为了确保动力系统与气动性能相匹配,加装了动力系统的3D打印机器“蜻蜓”在同济大学微小飞机实验室的风洞中进行了吹风实验。测试结果显示,该动力系统可产生十余克的升力和拉力,满足“蜻蜓”飞行的动力要求。这里,值得一提的是,本次实验所使用的风洞很特别,是不久前该实验室1:1成功复原的100余年前莱特兄弟所使用的风洞。该风洞原来的升力/阻力机械天平目前已被改造成了精度更高的电子天平。

图3 3D打印机器“蜻蜓”风洞测试

  图3 3D打印机器“蜻蜓”风洞测试

  在自然界千万年的进化中优胜劣汰,禽类、昆虫、飞鱼等动物练就了高超的飞行本领。相比之下,人类的航空史仅有百十年,因此,人类要自由翱翔,还有许多地方需要向动物学习。目前,利用三维打印技术,同济大学已相继成功研制了飞鸟扑翼机、仿生飞鱼滑翔机、机器蜻蜓等等。三维打印技术的出现,能够帮助我们揭示更多自然界中动物飞行的奥秘,为人类探究动物飞行增加了一种新的手段。

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