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同济大学成功研制3D打印机器蜻蜓
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这个网络新闻?日前,在3D打印技术的帮助下,同济大学航空航天力学学院教授沈海军开展了计算机建模、风洞试验、蜻蜓扑翼机制作等一系列仿生研究工作。本月初,仿生微型电动遥控机器“蜻蜓”研制成功,并进行了初步试飞。

蜻蜓有极其出色的飞行性能。它们可以上下、上下、快速和慢速飞行,在空中盘旋,甚至180度急转弯,把大多数鸟都抛在身后。因此,他们有“飞行之王”的美誉。为了设计仿生蜻蜓扑翼微型机,研究小组首先对蜻蜓的身体结构有了透彻的了解。他们利用计算机辅助设计软件建立蜻蜓的几何实体模型,然后通过3D打印机打印蜻蜓的3D实体模型。

然后,参照蜻蜓的特征,研究人员简化了蜻蜓的翅膀、静脉、头部、脚、胸部和腰部。结合扑翼飞机的特点,研究人员设计并绘制了相应的蜻蜓翅膀、机身、起落架、发动机机架等部件的计算机辅助设计模型。其中,蜻蜓的尾端被巧妙地设计成飞机的方向舵。利用该计算机辅助设计模型,可以将其转换成STL文件格式,然后在3D打印机中依次打印出蜻蜓等扑翼飞机的头部、翅膀、足和身体部位。

将蜻蜓扑翼与电力和电子设备相匹配非常重要。根据以往的经验,研究人员精心选择了直径为7毫米的电刷电机和相应的减速组作为电源,以及3.7伏锂电池作为能源。发射/接收设备选择红外双向控制。其中一个通道控制蜻蜓翅膀的拍动频率,即飞行高度和速度,另一个通道控制蜻蜓的飞行路线。蜻蜓舵采用自制的4毫米线圈直径微型电磁舵机。

组装3D打印的“蜻蜓”零件、电源和电子设备,并在“蜻蜓”静脉上铺设0.1毫米聚乙烯塑料膜。遥控机器“蜻蜓”将基本完成。成品机器“蜻蜓”总重量15g,翼展15cm,长16cm,高4cm。在通电和遥控下,一对蜻蜓翅膀交替拍动,产生升力和张力。尾部的电磁舵可以自由左右偏转,控制蜻蜓的飞行路线。

为了保证动力系统与空气动力学性能相匹配,装有动力系统的3D印刷机“蜻蜓”在同济大学微型飞机实验室的风洞中进行了吹风实验。测试结果表明,该动力系统能产生10克以上的升力和张力,满足“蜻蜓”飞行的动力要求。这里值得一提的是,这次实验中使用的风洞非常特别,它是莱特兄弟100多年前使用的风洞,不久前由实验室1:1成功修复。风洞原有的升力/阻力机械天平已被转换成精度更高的电子天平。

沈海军说,“在一千万年的自然进化中,优胜劣汰。鸟类、昆虫、飞鱼和其他动物已经发展出优秀的飞行技能。相比之下,人类航空的历史只有100年。因此,如果人类要自由飞翔,仍然有许多地方可以向动物学习。目前,使用的是三维打印技术。”据报道,同济大学已经成功开发出鸟类扑翼机、仿生飞鱼滑翔机、机器蜻蜓等。三维打印技术的出现可以帮助人类揭示自然界动物飞行的更多奥秘,为人类探索动物飞行增加了新的手段。

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