供稿人：李武丹、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-01-19
昆蟲作為地球上數(shù)量最多的陸生動物，存在于地球上幾乎所有的環(huán)境中。其中，昆蟲出色的飛行能力一直受到特別的關(guān)注，比如蜻蜓靈活的機動性和蝴蝶在跨海遷徙過程中的節(jié)能飛行。研究人員提出了各種類型的微型撲翼飛行器（MAVs），然而，與真正的昆蟲相比，微型飛行器的能力是有限的。一個主要問題是很難在昆蟲翅膀中再現(xiàn)復(fù)雜的機械特性和各種功能。昆蟲翅膀是一種復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)，由具有復(fù)雜圖案的框架支撐，這會導(dǎo)致復(fù)雜的剛度分布和各向異性。它們在拍打時會靈活變形，同時干擾周圍的空氣，產(chǎn)生有用的空氣動力學(xué)效應(yīng)。因此，撲翼的設(shè)計和制造比固定翼和旋翼困難得多。此外，大多數(shù)昆蟲翅膀具有飛行功能以及折疊和耦合所代表的各種其他功能，翅膀的這些附加功能是昆蟲適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。
圖 1. 3D打印昆蟲機翼的仿生設(shè)計和制造
日本福岡九州大學(xué)設(shè)計學(xué)院的Kazuya Saito團隊研究并提出了一種昆蟲翅膀的整體成形方法，通過3D打印技術(shù)直接在薄膜上打印機翼框架形成昆蟲翼型復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中薄膜和框架使用相同的材料聚丙烯，使其可以很好的粘接在一起。采用基于蜻蜓翅膀中存在的質(zhì)心Voronoi圖的人工脈理生成算法，設(shè)計了復(fù)雜的人工翅膀力學(xué)性能。此外，他們實現(xiàn)了真實昆蟲翅膀的兩個代表性功能:折疊和耦合?；诩紫x后翼開發(fā)的折痕圖設(shè)計軟件可實現(xiàn)任何形狀的可折疊機翼的3D打印。耦合式機翼在飛行過程中，前翼和后翼相互連接形成單個大翼；如圖g，這些翅膀可以像蟬翼一樣被分開或堆積起來。