2015年，韩国建业大学的 Park 等通过对甲壳虫的运动进行研究仿照^［25］，研制出一款微型扑翼飞行器，如图7（a）所示，利用曲柄滑块机构作为扑翼飞行器的传动机构，将驱动机构的旋转运动放大输出为翅膀的拍打运动。2016年，哈佛大学微型机器人实验室模仿鸟类飞行成功研制出一款质量为3.2 g的无线扑翼微飞行器^［26］，如图7（b）所示。机器人采用一对镜像对称曲柄滑块和附加连杆组成的Sarrus连杆作为传动机构，该款飞行器既能主动扑翼飞行又能被动滑翔飞行。

图7   连杆滑块机构传动的微型扑翼飞行器Fig.7   Vector diameter variation diagram

普渡大学^［27-28］于2016年成功研制出仿蜂鸟微型扑翼机器人，如图8（a）所示，该机器人采用高效减速齿轮系传动，质量约12 g，可实现无线起飞。国内西北工业大学研制的一款仿生扑翼飞行器^［29］，如图8（b）所示，该仿生飞行器采用齿轮系统作为传动机构，全机质量为15 g，翼展20 cm，实现成功飞行8~18 s。

图8   齿轮系传动的微型扑翼飞行器Fig.8   Miniature ornithopter driven by gear train

2011年，美国航空环境公司^［30］研制出仿蜂鸟机器人Nano Hummingbird，如图9所示，该机器人采用齿轮与绳传动相结合的方式，质量为19 g，翼展16.5 cm，扑翼频率30 Hz，可无线遥控飞行约4 min。

图9   绳传动的仿蜂鸟扑翼飞行器Fig.9   A rope-driven hummingbird imitation flapping wing vehicle

3.2　加工工艺

微型扑翼飞行器的加工工艺主要有激光切割与微装配^［31］、智能复合微结构工艺（Smart Composite Microstructure，SCM）与pop-up工艺［32-35］、MEMS技术^［36-38］等，如表2所示。

表2   微型扑翼飞行器的加工工艺Table 2   Processing technology of micro flapping wing vehicle

激光切割与微装配工艺是制造微型机器人比较常用且经典的手段。2011年，卡耐基梅隆大学的 Hines 等^［31］通过仿生研制出一款微型扑翼飞行器，如图10所示，该飞行器采用激光切割分别加工出翅膀和机身等结构，最后再进行微装配实现样机成型，样机质量约705 mg，未成功实现起飞。

图10   卡耐基梅隆大学研制的样机Fig.10   A prototype developed at Carnegie Mellon University

加利福尼亚大学伯克利分校从1998年开始采用SCM加工工艺研制微型扑翼飞行器MFI^［32-33］，如图11（a）所示。但受微细加工技术与飞行原理的限制，MFI未实现稳定飞行。2012年哈佛大学基于SCM工艺提出了一种整体制造扑翼飞行器的pop-up工艺^［34-35］，采用该工艺制得了一款质量为90 mg的微型扑翼飞行器，如图11（b）所示。

图11   采用SCM工艺研制的扑翼飞行器Fig.11   An ornithopter developed by SCM technology

法国的里尔大学研发了一款微型扑翼飞行器^［36］，如图12（a）所示，该飞行器的翅膀和机身是基于MEMS工艺，采用SU-8光刻胶制造获得的，翼展3.5 cm，质量为22 mg，实现60°的扑翼角度。国内上海交通大学基于MEMS技术，采用SU-8光刻胶制作了一款扑翼飞行器^［37-38］，如图12（b）所示。

图12   采用MEMS技术研制的扑翼飞行器Fig.12   An ornithopter developed by MEMS technology

3.3　能源驱动

在微型扑翼飞行器的驱动方面，主要以电机驱动^［39-43］、电磁驱动^［44-47］和压电驱动^［48-56］为主，近些年一些机构还提出了一些新型驱动方式，如混合驱动^［57］、介电弹性体驱动^［58-59］等，如表3所示。

表3   微型扑翼飞行器的驱动方式Table 3   The driving mode of micro flapping wing vehicle

加州理工学院于1998年开始研制微型扑翼飞行器MicroBat^［39-40］，研制的样机如图13（a）所示，采用质量约3 g可充电镍镉电池供电，利用微型电机驱动，实现最佳无线飞行时间42 s。代尔夫特大学于2005年开始研制DelFly系列扑翼飞行器^［41-43］，如图13（b）所示，采用微型无刷电机驱动，微型锂电池供电。

图13   电机驱动的微型扑翼飞行器Fig.13   Motor driven micro flapping wing vehicle

2013年美国普渡大学生物机器人实验室开始研制一种用于高频扑翼的电磁驱动器^［44］，如图14（a）所示，并于2015年采用电磁驱动器研制出一款质量为2.6 g的扑翼飞行器^［45］，并实现样机的成功起飞。国内上海交通大学研究团队于2016 年研制出一款电磁驱动扑翼机器人^［46-47］，如图14（b）所示。该机器人的质量为80 mg，翼展为 35 mm，采用电磁驱动控制，是当时公开报道的最小的电磁驱动扑翼机器人。

图14   电磁驱动的微型扑翼飞行器Fig.14   Electromagnetic driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学Wood团队于2007年研制出世界上首款成功起飞的压电驱动微型扑翼飞行器HMF^［48-49］，采用PZT-5系列压电片作驱动器，质量为60 mg，翼展30 mm；该团队通过对HMF的改进，研制了运动解耦式扑翼飞行器Robobee^［50-53］，质量为80 mg，翼展30 mm，可多自由度运动，并采用太阳能供电^［54］，于2019年实现脱线起飞，如图15（a）所示。2018年，华盛顿大学的Yogesh等研制了一款压电驱动微型扑翼飞行器RoboFly^［55］，该款机器人采用横向布置驱动机构，如图15（b）所示，并通过使用激光器远程供电［56］实现了无线起飞。

图15   压电驱动的微型扑翼飞行器Fig.15   Piezoelectric driven micro flapping wing vehicle

哈佛大学的陈宇峰^［57］在Robobee的基础上改进，给飞行器添加了集气室、四个平衡梁、浮力支腿以及相关电化学设备，如图16（a）所示，该款飞行器采用压电、浮力和爆破力的混合驱动方式，可实现水中浮游、冲出水面和继续飞行三种功能。2019 年，该团队还采用介电弹性体执行器（DEA）^［58］驱动，研制了一款鲁棒性较好的微型扑翼飞行器^［59］，如图16（b）所示。2021年丰田中央研究所报道了一种新型无线射频电源^［60］，可用于驱动昆虫仿真扑翼飞行器。其功率质量比密度为4900 W/kg，比等质量的锂聚合物电池高出5倍，并利用该系统，演示了1.8 g飞行器的无线起飞，如图16（c）所示。2022年，布里斯托大学开发了一种液体放大拉链执行器（LAZA）驱动的微飞行器^［61］，如图16（d）所示，飞行器机翼带有负电荷，机翼周围有电介质液体，正电荷交替转移到机翼两侧的壁上，使机翼摆动，翼展50 mm，飞行器最大速度 18 个身长每秒，功耗243 mW。

图16   其他驱动方式的扑翼飞行器Fig.16   Ornithopter vehicle with other modes of drive

3.4　系统级能力

微纳扑翼飞行器作为一个完整的机器人系统，其携带载荷的能力和续航时间是其未来投入应用的重要技术指标要求，当前研制的微纳扑翼飞行器主要分为仿蜂鸟型和仿飞行昆虫两类，其中仿蜂鸟型的微纳扑翼飞行器具有一定的载荷和续航能力，但其体积和质量较大，通常质量达数十克，翼展通常超过10 cm，仿飞行昆虫类的微纳扑翼飞行器体积和质量小，但其基本无负载能力和续航能力。如美国航空环境公司研制出的Nano Hummingbird仿蜂鸟微型扑翼机器人^［30］，该机器人质量为19 g，翼展16.5 cm，扑翼频率30 Hz，可无线遥控飞行约4 min，西北工业大学的宋笔峰团队设计的信鸽，质量约为200 g，翼展大约为50 cm，最大的飞行速度可达40 km/h，最长的续航时间为30 min，装备了高清的摄像头和GPS天线以及飞行控制系统和卫星通信链。哈佛大学仿蜜蜂微飞行器RoboBee X-wing^［54］和华盛顿大学的仿蜜蜂微飞行器RoboFly^［56］均采用光能供电实现毫克级扑翼微飞行器的无缆起飞，但受能源和质量限制，此类飞行器目前的负载能力和续航能力较弱。未来投入应用的微纳扑翼飞行器通常质量为500 mg~10 g之间，尺寸在1~10 cm之间，这样的尺寸范围既保证机器人具有极高的隐蔽性，又能够搭载一定功能载荷，如图像探测、录像录音等功能，飞行高度需达3~5 m，飞行速度应与蜜蜂、蜻蜓等昆虫相仿，同时需要具备一定续航能力，持续工作时间需达数十分钟。目前所研制的微纳扑翼飞行器在系统级能力上尚未达到要求。