羅格斯大學打造零活動零件仿鳥無人機：沒有馬達、沒有齒輪，靠壓電材料拍翅飛行

零活動零件的仿鳥飛行器

美國羅格斯大學（Rutgers University）航太工程師 Xin Shan 與 Onur Bilgen 設計出一款「固態撲翼機」（solid-state ornithopter），這是一種模仿鳥類飛行方式的飛行機器人，完全沒有馬達、齒輪或任何形式的機械連桿結構，並已透過模擬驗證證實其具備飛行能力。不過，研究團隊也坦承：目前物理世界中尚不存在能實際製造這架飛行器的材料。

這項研究成果發表於《Aerospace Science and Technology》期刊，據 Hackster.io 報導，這是迄今為止針對此類飛行器所建構最完整的數學模型之一，同時也是一項嚴謹的科學論證——儘管該技術目前僅存在於軟體模擬與羅格斯大學的風洞實驗中。

什麼是固態撲翼機？

目前大多數無人機依靠旋轉螺旋槳飛行，而撲翼機則透過拍動翅膀產生升力與前進推力，如同鳥類和昆蟲的飛行方式。現有的撲翼機仍需馬達驅動翅膀拍動，意味著系統中仍有旋轉部件、傳動軸、齒輪組等機械結構，伴隨而來的是複雜性與故障風險。

固態撲翼機徹底消除了這一切——完全沒有馬達，機翼本身就是致動器。

Bilgen 的設計採用「宏觀纖維複合材料」（Macro-Fiber Composites, MFCs），直接黏合在柔性碳纖維機翼結構上。MFC 是一種壓電裝置，最初由 NASA 蘭利研究中心（Langley Research Center）發明，當施加電壓時會產生物理形變。在撲翼機的機翼中，碳纖維提供結構骨架，如同骨骼與羽毛；而黏合在表面的 MFC 則扮演肌肉與神經的角色。

「我們對壓電材料施加電力，它們就會直接帶動表面運動，不需要額外的關節、連桿或馬達，」Bilgen 表示。「機翼是包含壓電材料層和碳纖維層的複合結構。對壓電層施加電壓，整個複合材料就會彎曲。」

透過改變分佈在機翼不同位置的多個 MFC 致動器的電壓模式，可以連續控制機翼的衝程、俯仰角和形狀，模擬自然飛行者的複雜運動學——整個系統中沒有任何一個旋轉部件。

為何技術挑戰如此艱鉅？

這項設計背後的數學挑戰相當艱鉅。與四旋翼無人機不同——四旋翼的每個旋轉馬達物理特性已被充分理解，飛行控制器處理其餘部分即可——固態撲翼機需要同時建模四個耦合領域：柔性機翼在負載下的結構行為、低雷諾數下非穩態拍翅飛行的空氣動力學、壓電致動器的電氣動態，以及將這四者串聯在一起的控制架構。

Bilgen 在羅格斯大學的團隊建構了一個能同時處理所有領域的計算模型，這正是該論文真正重要的貢獻。該模型已透過羅格斯大學對實體原型機翼進行的風洞實驗加以驗證，因此並非純粹的理論推演。機翼硬體確實存在且已經過測試，只是完整的飛行器尚未實現。

該模型讓團隊能在模擬環境中進行設計最佳化，測試致動器位置、激勵電壓、拍翅頻率和機身慣性等變數，再決定是否進行實體建造。這在航太工程中是標準做法，但對一個如此複雜度的全耦合機電氣彈性系統做到這一點，絕非小事。

材料科學的瓶頸

在這個環節，研究團隊展現了令人敬佩的直率態度。Bilgen 毫不掩飾這項限制：

「當今的壓電材料能力還不夠，」他說。「然而，我們的數學模型讓我們能在合理的假設下展望未來。我們已經從科學上證明，當我們做出某些材料假設時，這種類型的撲翼機是可能實現的。我們能展示目前在物理上尚不可能的設計之可行性。」

目前的 MFC 材料無法在每單位施加電壓下產生足夠的力，以在全尺寸、具有實用載荷能力的撲翼機中產生持續飛行所需的機翼偏轉幅度。

風洞測試驗證了結構和空氣動力學模型的預測，同時也精確確認了當前材料距離模擬所需自由飛行性能門檻還有多大差距。模型告訴你需要什麼材料性能，而材料科學尚未達到這個水準。

這個論述框架——「當材料趕上時，這就是可行的設計」——對該領域是合法且重要的貢獻。它為材料科學家提供了明確的性能目標，也為未來工程師提供了經過驗證的設計框架。

這項技術的實際應用價值

在小型化尺度上，拍翅飛行相較於旋轉螺旋槳具有真正的優勢，使得這項工程努力具有實質意義。一架麻雀大小的螺旋槳無人機會產生顯著的噪音，且槳葉對接觸物體構成打擊危險。

同等尺度的撲翼機則幾乎無聲、在低雷諾數下具有更高的空氣動力學效率（此區間螺旋槳效能明顯下降），且在碰撞時對自身和環境的損害顯著降低。

Bilgen 明確表示，當拍動的翅膀接觸環境時，對自身和接觸物的破壞性都更小——這對任何涉及狹窄空間、生態環境或接近人群的任務至關重要。

羅格斯大學指出的應用場景包括搜索救援、環境監測和城市包裹配送。此外，一架大小和聲學特徵如同鳥類、飛行模式也像鳥類的無人機，在情報偵蒐領域也將是與現有任何產品截然不同的全新資產。

風力發電的意外收穫

值得一提的是，Bilgen 團隊正將相同的壓電變形原理應用於風力渦輪機葉片。渦輪機葉片本質上就是一片旋轉的機翼，隨著風況變化即時微調其形狀，可望實現固定剖面葉片無法達到的空氣動力學效率提升。能讓固態撲翼機飛行的物理學原理，同樣可能讓風力發電變得更加高效。

十九年的堅持與展望

Bilgen 自 2007 年起便投入這項研究，在研究生時期接觸到撲翼機後，花了六年思考這個問題，於 2013 年開始正式研究，並在 2026 年發表這篇論文——長達十九年持續聚焦於一個以目前可用材料尚無法建造的設計。

這並非失敗，而是基礎工程研究的真實面貌。正如萊特兄弟並未發明內燃機，而是利用一項終於達到其設計所需性能門檻的現有技術來打造飛機。Bilgen 的貢獻相當於設計好了萊特飛行器，然後誠實地指出引擎尚不存在。當材料科學交出具有足夠致動能力的壓電複合材料時，設計已經就緒、計算模型已經驗證、風洞數據已在手中。

一架無聲、無馬達、像鳥一樣飛行、在聲學和視覺上都無法與真鳥區分的無人機，已不再是科幻概念——它是一個經過驗證的模擬，正等待材料科學的突破。而這一切，都來自羅格斯大學的一間實驗室。

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