在“2021全球十大工程成就暨2021全球工程前沿发布会”上，西北工业大学教授苑伟政指出，微型智能微系统是MEMS以及微型飞行器一个很好的发展方向与趋势。随着柔性MEMS技术和柔性电子技术的发展，已经开发出非常小的柔性飞控系统，被用于各种不同场合的微型飞行器上。以下为报告整理。 

　　微型飞机的发展过程 

　　在2021年机械运载工程领域排名Top 10的工程研究前沿中，包括仿昆虫微型扑翼飞行器。1995年前后国际上已经开始微型飞机的研究，后续又出现了螺旋翼、扑翼以及仿昆虫等一系列微型飞行器。 

　　清华大学、南京航空航天大学、西北工业大学在1995年左右也开始了微型飞机的研究并且取得一定的成果。我们一直从MEMS角度去做微型飞机，早在2000年就发布过相关的一些研究成果。目前微型飞机研究在国内外已经取得很大进展，与原来有很大的不同，我所在的西北工业大学在空气动力学和MEMS具有学科优势，我们将会充分发挥这些优势继续从事这方面的研究。 

　　近年来，国际上关注度较高的是杀人蜂微型飞行器的研发。这是一种四旋翼的螺旋小型飞行器，经过多年研究后发现的一种比较稳定的飞行模式，而且机动性比较好。杀人蜂微型飞行器为对付恐怖分子而研发，主要特点是可以抗避障、抗干扰以及抗捕获等，发现目标后通过人脸识别，插上一根毒针就能把恐怖分子消灭。这一技术在业内被称为微型智能微系统，这是MEMS以及微型飞行器的一个很好的发展方向与趋势。 

　　但是，各种微型飞行器在发展过程当中都存在一定的缺陷，尤其在工程应用中也存在着很多缺陷。这种微型杀人蜂飞行器在室外的应用效果并不是很好，仍处于探讨期。 

　　我国一直在探讨各种各样飞行器的研究。很多人小时候都玩过纸飞机，它的特点是一种很低廉成本的玩具型飞行器。但是随着现代技术的发展，特别柔性电子技术、材料以及MEMS技术的发展等，使纸飞机的功能具有很大提升性，而且可用于前沿侦查、反恐等，具有不小的独特性优势。随着3D打印技术的开展，飞机的骨架也可以采用3D打印技术打出拓扑结构，而这在1995年时是不可能实现的。 

　　这种纸飞机也可以采用飞行平台的集成。按照一种折叠方式来应用，而且和现代的通信技术如手机结合可以输回有关信号，再通过手机APP进行飞行控制。这在过去很难实现，但现在的技术已经提供了成功的保证。 

　　这一主要研究目标是面向反恐打击等单元应用，实现对目标的盘旋侦查等。从技术角度来看，具备翼身结构与机载电子融合共形特征的超轻量、平整化、便携式飞行器，还要突破柔性结构、电子保形一体化制造、柔性微型飞控系统、MEMS芯片、群组网等关键技术。 

　　微型飞行动力学与空气动力学 

　　目前，该领域关键技术之一就是微型飞行动力学。微型飞机所涉及的空气动力学主要问题为低雷诺数空气动力学研究。低雷诺数就是一般昆虫飞行在低雷诺数的情况时，其黏性非常高——即相当于昆虫在蜂蜜当中进行飞行，因此飞行起来很困难。 

　　要解决这个问题，业内付出了很大力气进行研究。如早期的固定翼微型飞行器，只是根据一般的飞机做了微型化。但从仿生观察角度来看，老鹰等大型鸟类属于固定翼的飞行，可昆虫是采用扑翼飞行。低雷诺数限制了微型钢体飞行器的升力和推力的发展，所以这一方案并不是很好。通过对蜂鸟的研究发现，空气动力学一致认为柔性结构易于异面、异形、形变，可以形成多个分布式的升力涡，从而实现大升起。变形体飞行器可能是一个重要的发展方向，这都是从仿生的角度所得到的启示。 

　　微型飞行器这一翼面折翼的耦合多运动形态，形成了高效尾涡，而且可以实现大推力和强制机动性。仿昆虫的柔性飞行器就是一个很好的模式，钢体结构抗风能力等使用效果并不佳，业内都认为柔性结构是一种非常好的结构。 

　　在空气动力学方面，我们在国家自然科学基金重点项目的支持下，从微量结构角度探讨涡的起源。对于如何利用微量结构进行减阻的研究，我们提出了一种多层复合小肋的减阻结构，可以有效地实现拓涡。 

　　这种结构通过MEMS技术制作后，就是一种多层的三维小肋结构，并且可以通过一些测量表征把它的微型结构表征出来。而且我们通过设计的流道减阻实验证明，它的减阻效力比一般单层的小肋结构效力提高逾50%。这一成果在国际上发表后也得到业内认可，取得了比较好的效果。 

　　柔性微型飞控系统与MEMS器件 

　　随着柔性MEMS技术和柔性电子技术的发展，我们已经开发出非常小的柔性飞控系统，被用于各种不同场合的微型飞行器，而且通过视频信号接收可以实现远程遥控监测。 

　　其中涉及的技术是机载系统的柔性结构电子一体化保形制造技术，就是在像一张普通纸大小的柔性载体上，集成各种通信芯片、MEMS芯片、传感器、存储器、天线等，形成一个结构一体化的制造工艺即一张纸张式的机载系统。 

　　飞控离不开MEMS器件，其中一个典型的事例就是MEMS陀螺。陀螺实际上是精密仪器中最难的一种精密仪器，它决定了空间姿态的位置。以往在航空航天用得比较多，有飞行的地方、有动的地方都离不开陀螺——当然价格也很贵。 

　　MEMS技术的优势，就是能将陀螺仪这种精密仪器变成芯片化的传感器，它的成本、体积等都大幅降低，并且可以用于消费电子领域中，手机中现在就有很多MEMS陀螺。它面临的主要挑战是如何实现高精度和工程化技术。因为陀螺是一个比较复杂的MEMS，涉及到结构、电路、工艺，三者缺一不可，没有这优秀的三项技术不可能做出一个好的陀螺。 

　　关于它的设计流程也有独到之处。如涉及到系统级的精度问题、器件级的结构问题、电路控制问题等，这些都对以往的制造技术和设计技术提出了较高挑战。它本身的敏感结构也很复杂，要求没有模态的差别，这个难度也很大。 

　　此外还涉及到制造技术，MEMS陀螺是一个微米数量级、可动的机械结构，需要通过微纳米的制造技术形成可运动的结构释放，才能实现稳定的运动，而这也是一个制造难题。其中还牵涉到低应力真空封装技术，这也是陀螺独有的，目的为保持其高品质因数。电路检测、信号检测也非常难，往往噪声是信号的几十倍甚至上百倍，通常可以通过带通技术实现。 

　　如何与ASIC接口电路、集成电路集成，使整个控制电路变成一个电子芯片，再与MEMS芯片相结合，这也是一个难题。目前我们在这方面的研究也实现了突破，研制出相应的IC 集成陀螺和高精度陀螺，可以用到微型飞行器上。 

　　比如我们研制的这种微型“纸”飞机包含典型微型飞控系统，这种系统重量仅1.8克，是目前国际上最小的飞控系统。这种飞行“纸飞机”的重量要求是50克，可以在空中滞留几分钟，飞行范围在一公里内，在某些领域有很好的应用价值。后续我们还会开发出更多不同类型的产品。