像鸟儿般振翅，MIT联手NASA打造新型变形机翼

1903 年 12 月 17 日是一个历史性的时刻——莱特兄弟（Wright Brothers）“飞行者一号”首次成功起飞，象征着人类开始踏上征服天空的旅程。

当时，“飞行者一号”的机翼是由云杉木和帆布构成，飞行员通过线缆和铰链来控制机翼的弯曲和扭转。实际上，现代机翼都是采用与此截然不同的分离式的铰接翼片以及副翼设计。

多年以来，研究者一直致力于制造像鸟儿翅膀般自由伸展的可变形机翼，来代替传统分离式机械襟翼，然而却鲜有成效。

通常的典型做法是在机翼内部使用机械控制装置，从而让机翼具备变形的功能。然而，最大的问题是机械装置往往会让机翼的重量变得过大，这样就抵消了变形能力在空气动力学方面产生的效率优势。此外，这种方法增大了机翼构造的复杂性，其可靠性也会降低。

近日，MIT（麻省理工学院）和NASA（美国国家航空与航天局）强强联合，研发出一种新型可变形机翼——利用小型、轻量的模块化结构组装而成，可实现机翼整体平滑变形，不但能提升机翼空气动力学性能，还能极大地简化机翼制造过程以及降低燃料消耗，同时提升整机飞行的敏捷性。该研究成果发表于国际杂志《Soft Robotics》上。

空客公司（Airbus）新兴技术与概念部门的首席技术专家文森特·卢比埃（Vincent Loubiere）称：“我觉得这称得上是一次革命，打开了颠覆性创新的大门。该技术开辟的前景和领域十分令人兴奋。”

组成机翼的模块化结构：单个模块、两个模块连接以及多个模块组装。图片来源：DOI: 10.1089/soro.2016.0032

该新型可变形机翼背后的基本原理就像“乐高积木”——利用一系列微型、轻量化结构模块，从而组装成无限可能的形状。其中，结构化模块称为“数字化材料”。该初始实验模型是由人工进行各模块组装，后续可开发出微型机器人辅助组装。研究团队称，目前已开发出此类机器人的原型机。

“数字化材料”：小型、轻量化结构模块

虽然每一个独立的模块都是高强度的刚性件，但是通过精确选择模块的尺寸和材料，以及组装方式和形状，最终能够获得对整体形状变形性的灵活、精确调控。模块化结构组装而成的机翼可以实现整体平滑性变形，而不是像以往那样只是移动机翼的襟翼部分。

可变形机翼测试模型进行扭转运动测试，同时保持表面平滑。图片来源：Kenneth Cheung/NASA

研究者将初始模型的实验目标设定为：能够精确模拟传统分离式机械襟翼的扭曲运动，并且保持整体机翼表面平滑的空气动力学特性。如上图，通过一对小型马达对机翼端部施加扭曲压力，整个机翼沿着长度方向可进行均匀变形和扭转。

格森菲尔解释称，通过组装一系列相同的小模块获得大型、复杂结构的方法，有机地综合了机翼对于强度、轻量化以及灵活变形性的要求，极大地简化了制造过程。

通常而言，现代飞机轻型复合机翼的制造都要求大型专用设备进行层叠和强化材料，但 MIT 和 NASA 提出的模块化结构能够实现快速批量化生产，以及机器人自动化组装，极大大地提升了制造效率。

于航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center）12英尺的低速隧道进行风洞测试的可变形机翼模型侧视图。

此外，格森菲尔团队提出，该模块化技术还可用于制造其他复杂结构，例如可整体自由变形的机械臂，而不是现有的只能在固定数量关节处变形的机械臂。

这项研究代表了一种通用的技术，用以提升高度兼容性机器人和机械结构的性能——即柔性（Soft）。通过将传统柔性材料替换为新型模块化材料，从而获得更轻量、更易调控以及更低耗能的结构。

据 NASA 称，如果机翼在升降以及滚转时能够进行连续性变形（即保证机翼表面平滑），将非常利于提升空气动力学效率以及飞行敏捷性，同时还能降低燃油消耗。鉴于燃油消耗对于航空公司的经济效益以及对于温室气体排放的重要影响，即便是极小的提升也能产生重大影响。

该新型可变形机翼的风洞测试结果表明，与传统机翼气动性能上旗鼓相当，在重量上却只有传统机翼的十分之一。

此外，该机翼结构包覆的“皮肤层”也增强了其性能。机翼包覆层由层叠的柔性材料片状结构构成，就像羽毛或者鱼鳞似的排列。当机翼弯曲变形时，层叠的鳞片能够依然能够相互横移并保持整体表面的平滑性。

最重要的是，模块化结构不仅提供了组装便易性，更提供了整体结构的拆解和重组的便易性。当组装结构不再服役时，可以将整体结构拆解成模块化零部件，并用于其他功能结构的再组装，实现重复利用。同样的，维修时只需替换损坏区域的模块即可进行修复。

杰尼特称：“巡检机器人可以随时发现损坏部件，并进行替换，十分有利于随时保持飞机 100% 无故障。”

据悉，风洞测试成功后，研究团队目前正对无人机进行可变形机翼技术的测试，并且初始测试结果十分令人满意。格森菲尔称，该技术初步或将用于小型自动化分机——超高效远程无人机，有望用于发展中国家向偏远地区投递医药用品。

致力于飞机精密运动控制的美国穆格公司（Moog Inc）技术总监贡萨洛·雷伊（Gonzalo Rey）称：“这种超轻、可调控的空气动力学结构以及飞行控制方法，开辟了飞行的全新领域。从根本上来说，数字化材料和模块化制造为突破传统以及创造新型结构提供了变革性的方法。”

更广泛地来说，这种模块化变形材料概念还可用于机器人部件、摩天大楼以及桥梁等建筑结构件，不仅能够提升使用性能及寿命，还能节省原材料以及方便拆解与重复利用。

空客公司的卢比埃认为，很多其他技术也能受益，例如风力涡轮机等。他说：“如果风车叶片能够实现现场组装，就能省去费时费力的运输过程，同时提升整体性能，并且降低成本。”

参考：

http://news.mit.edu/2016/morphing-airplane-wing-design-1103

Benjamin Jenett et al.Digital Morphing Wing: Active Wing Shaping Concept Using CompositeLattice-Based Cellular Structures, Soft Robotics (2016). DOI:10.1089/soro.2016.0032 

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