扑翼飞行器（Flapping-wing Air Vehicle，FAV）是一种以鸟类或昆虫为仿生对象，以传动连杆代替骨骼，以轻型环保薄膜代替翅膀的新一代飞行机器人。

在仿鸟的扑翼飞行器研究上，中国东汉史学家班固所著的《汉书·王莽传》是史书记载最早可查的。文艺复兴时期的列奥纳多·达·芬奇是意大利著名的画家，人类现存最早的关于仿生扑翼飞行器的图纸300多年后，科学家们才重新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。在19世纪中期，由考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大突破。由此至20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。

扑翼飞行器具有体积小、飞行效率高、隐蔽性好等诸多特点，适合在城市楼群、密林等复杂环境中穿梭悬停，尤其适用于环境监测、城市反恐和特种作战。

在仿鸟的扑翼飞行器研究上，我国东汉史学家班固所著的《汉书·王莽传》是史书记载最早可查的，其中记载：“取大鸟翩为两翼，头与身皆著毛，通引环纽，飞数百步，堕。”这是我国劳动人民最早的对扑翼飞行器的研究和制作。文艺复兴时期的列奥纳多·达·芬奇是意大利著名的画家，人类现存最早的关于仿生扑翼飞行器的图纸，就是在他的手稿中设计过这种由人力驱动的扑翼机模型。但过了300多年后，科学家们才重新开始考虑扑翼机，并把它作为一种飞行器来研究。

在19世纪中期，由考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人奥托·李林塔尔对扑翼机理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。

20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大突破，但鉴于知识背景，当时的扑翼飞行器也不能算理想的飞行器。一系列的失败迫使科学家们重新进行计算设计，通过试飞实践和所积累的理论资料，科学家们看到了许多问题，如:机翼煽动时效果不明显，并未产生理想的升力和推力。另外，关键一点是科学家们认识到之前那些仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。

1930年，一架意大利的扑翼机模型进行试飞，它重约22.7公斤，装有一台0.37千瓦（0.5马力）的发动机。

由此至20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。前者仍由人发出功率，故不能独立起飞，只有获得必要的高度才能滑翔飞行，在无上升气流情况下，要靠驾驶员人力煽动机翼，以减缓某一时刻的下降速度;后者当时则利用了发动机来完全或部分取代人力。在1986年，美国人波拉·麦克里迪在动力扑翼飞行器上取得过一定成绩，但须要加装大传动比的减速器才能使发动机满足扑翼工作要求，相比之下，蒸汽发动机、电动机等更适合扑翼飞行器使用。

20世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功。在1996年，加拿大人詹姆斯·德拉瑞尔研制了“大扑翼”，由24马力的两冲程超轻型发动机通过一个机械驱动装置直接与机翼相连，一个链齿条装置驱动位于飞行员身后的两个构架上下运动，使机翼中段被反复抬出。在发动机转到3800转/分的最大速度时，机翼能扑动1.3次每秒。

在“大扑翼”的研究期间，加拿大人杰姆·泰斯和赛德也正在尝试研制扑翼机——“夜鹰”，他们的设计原理与德拉瑞尔的完全不同，而是更想接近鸟类的飞行方式，因而飞行器没有垂尾和方向舵，而是靠控制扑翼角度和频率来操纵，加上一个独立控制的鸽子似的尾部上下、左右地运动或扭转着，同时在气流合适时保持滑翔，转向则是靠独立反向机翼弯曲。他们利用液压作动力驱动，能对扑翼角度和频率施加直接控制，当然控制的量还得由计算机精确掌握，同时液压部件也要有很高的重复频率和疲劳耐受力。虽然“夜鹰”在理论研究研究上渐趋成熟，但试飞结果同“大扑翼”一样，也未达到既定要求，故还需不断改进。

自20世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼飞行器潜在的更具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸引了许多研究者的关注，关于较大尺寸及微型扑翼的空气动力学研究也逐渐成为热点。1973年，Weis-Fogh在对黄蜂的飞翔运动研究的基础上，提出了一种产生升力的“振翅拍击和挥摆急动 (Clap and Fling) ”机构，并论述了这种机构产生瞬时升力的机理。1991年，Delaurier等人成功试飞了无线电遥控的由发动机驱动的扑翼机，并给出了其飞行动力学模型。1994年，Smith用有限元法和气动翼段法建立了飞蛾类翅膀的弹性动力学与空气动力学耦合模型，研究了在气动力和惯性力作用下翼的各阶弯曲和扭转振型，并与刚性翼模型进行了对比。1996年，英国剑桥大学的Ellington等人为研究扇翅周围的旋涡，研制了雷诺数与天蛾科相同的扇翅模型——扇板。此扇板在下扇时产生一种强烈的前缘旋涡，力量很大，是对升力的一种解释。1997年，Hall等人提出一种使扑翼大幅值拍打产生升力和推力的最小环流分布的计算方法;Jones等人系统地分析计算了单扑翼和前后组合扑翼的非定常流场、推力和功率。

微型扑翼飞行器的兴起与美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的重视是分不开的。早在1982年，美国加洲大学伯克利分校就开始进行微型扑翼飞行的运动机理和空气动力学的实验研究，并在十几年研究的基础上于1998年开始实行微型扑翼飞行昆虫 (MFI) 的研究计划，目的是模拟苍蝇的独特飞行性能，设计出一种能够独立自主操纵的微飞行机器。美国加洲大学还计划在2004年研制出翼展5~10mm，重46mg，180Hz压电水晶驱动的四翼“机器苍蝇”，又称“黑寡妇” (Black Widow) 。美国斯坦福研究中心 (SRI) 和多伦多大学在DARPA的资助下，也在共同研究一种扑翼微型飞行器“Mentor”，它有4片由“人工肌肉”驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约30厘米，重不到0.5千克，并在2002年2月成为世界上第一架成功悬浮空中的微型扑翼飞行器。

2010年开始，加利福尼亚州大学开始对仿生扑翼飞行器进行研究并成功研制出H2Bird。这款扑翼飞行器采用了鲁棒控制律作为核心控制算法，借助CPU、传感器和摄像头等，成功实现了室内飞行。2011年，德国费斯通公司首次公开展示了仿海鸥扑翼飞行器Smartbird。Smartbird采用仿鸥科的流线型机体和可折叠扑翼，传动机构采用了对称分布的四连杆复合机构，可以同时实现扑翼运动以及翼尖的扭转运动，是仿鸟扑翼飞行器样机发展过程中的一个里程碑。2012年，美国AeroVironment公司设计了一种仿蜂鸟科微型扑翼飞行器Hummingbird。

2020年，西雅图华盛顿大学的研究人员制作了依赖于压电驱动的扑翼飞行机器人。在样机实验中，运用视觉传感器来修正扑翼飞行器的运动偏差，使得飞行器可以自主飞行。2021年，东京都立大学的Muhammad Labiyb Afakh等研究者开发的仿生扑翼机器人可以使用简单的拍动机构和轻量化设计，通过超过自身重量来产生推力。起飞实验结果表明，扑翼机器人能够在没有辅助的情况下从地面自行起飞。同年，华盛顿大学的研究人员设计了一种质量轻、质心低、方便制作、零件少的扑翼机器人,即使在非定常条件的空中飞行，机器人也能够在没有支架的情况下稳定着陆，并允许机器人在水面和陆地运动。

中国对扑翼飞行器的研究于2000年左右起步，最早中国水稻研究所为了研究昆虫飞行特性，对 50多种昆虫进行了吊飞实验，并总结出昆虫的扑动频率特征主要取决于昆虫的主体大小、翅翼翼型等多种因素。南京航空航天大学的昂海松教授的团队也对扑翼飞行器做了大量研究，研究面包含了对初步样机的制作、对扑翼机气动力学的实验、控制系统的研究等。近年来，西北工业大学也进行了扑翼机的相关研究，杨文青教授的团队针对扑翼飞行器的研究更加具体与工程化，他们研究了“0”字形、“8”字形不同扑翼方式的气动特性，具体研究了扑翼飞行器使用的仿生起落架，提出了一种新型的翼梢开缝的仿生扑动翼。

2020年，哈尔滨工业大学徐艺星设计并制造了仿生蝙蝠扑翼飞行器样机。扑翼机构以空间曲柄摇杆机构为基础，采取二级齿轮减速传动，制作样机并进行悬吊飞行实验。同年，南京航空航天大学的顾光健参考自然界中的鸟类设计了仿生扑翼飞行器并制作了样机,还对整机进行气动测试。2021年，吉林大学的陈默基于仿生原理对自然界中的苍蝇进行模拟，设计了仿生扑翼飞行器并且在此基础上进行了空气动力学与运动学研究分析。制作了样机并进行了实验。

除理论研究外，中国近年来也涌现出了不少的扑翼样机：比如中科大设计的 FMAV，全重量20g，能在室内无风条件下飞行。昂海松教授的团队在其研究内容的基础上，设计出了一款扑翼机，机重共38g，飞行高度约为50米，能在空中飞行6分钟左右，也因此，该团队获得了全国挑战杯大赛特等奖。西安爱生公司与西北工业大学联合研制了一款名为 ASN-211 的扑翼飞行器，其翼展程度为600mm，重量为220g，曾在西工大进行试飞，试飞时间约为5分钟。

2022年11月15日，西北工业大学科研团队研制出扑翼式无人机。2023年9月22日上午8时54分12秒，西北工业大学仿生飞行器研究团队研制的“信鸽”仿生飞行器起飞，并于11时59分42秒，顺利滑翔降落。3小时5分30秒的续航时间，打破了由该团队研制的“云”仿生飞行器创造的2小时34分38秒的扑翼式无人机单次充电飞行时间吉尼斯世界纪录。

2024年2月，西北工业大学仿生扑翼课题组博士陈昂设计研发的“小”扑翼飞行器再获新突破。“小隼”扑翼飞行器采用了全新发明的驱动机构，既能够在扑动翅膀的同时联动翅膀折叠，又能够在机动飞行时单独收折一侧的翅膀；同时，“小隼”扑翼飞行器采用了遵循解剖学原理的仿生结构设计，具备更好的仿生隐蔽性以及更敏捷、更高效的飞行能力，在军事侦察、生态监测、环境保护等领域有着较高的应用潜力。11月，第十五届中国国际航空航天博览会“中国军工”展区展出多种军用仿生鸟及其配套的各类传感器，其造型包括大型的“老鹰”和小型的“麻雀”。该类仿生鸟可以伪装成鸟类隐蔽实施战场侦察，若挂载配套的传感器，还可执行全天候侦察任务。

扑翼机的设计方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的扑动翼面；有的装有带缝隙和活门的扑动翼，具有类似飞鸟翅膀的作用。鸟类和昆虫的飞行表明，扑翼机在低速飞行时所需的功率比普通飞机小得多，并且具有优异的垂直起落能力。但是要真正实现像鸟类翅膀那样高频扑扇运动则非常困难。设计扑翼机所遇到的控制技术、材料和结构方面的问题一直未能解决。随着现代材料、动力、加工技术，特别是微机电技术（MEMS）的进步，已经能够制造出接近实用的扑翼飞行器。这些飞行器从原理上可以分为仿鸟扑翼和仿昆虫扑翼，以微小型无人扑翼为主，也有大型载人扑翼机试飞。仿鸟扑翼的扑动频率低，翼面积大，类似鸟类飞行，制造相对容易；仿昆虫扑翼，扑动频率高，翼面积小，制造难度高，但可以方便的实现悬停。

仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式，这也给了我们一个启迪，同时根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见，在翼展小于15cm时，扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具有优势，微型仿生扑翼飞行器也必将在该研究领域占据主导地位。

生物飞行能力和技巧的多样性多半来源于他们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。鸟类和昆虫的飞行表明，仿生扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小的多，并且具有优异的垂直起落能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜻蜓等昆虫那样高频扑翅运动非常困难，设计仿生扑翼飞行器所遇到的控制技术、材料和结构方面等问题仍是一难题，但将这种概念用机械装置去实现，本身并不是决定性的，关键是在于人类要去不断的尝试。

仿生扑翼飞行器通常具有尺寸适中、便于携带、飞行灵活、隐蔽性好等特点，因此在民用和国防领域有十分重要而广泛的应用，并能完成许多其他飞行器所无法执行的任务。它可以进行生化探测与环境监测，进入生化禁区执行任务；可以对森林、草原和农田上的火灾、虫灾及空气污染等生态环境进行实时监测；可以进入人员不易进入地区，如地势险要战地，失火或出事故建筑物中等;特别在军事上，仿生扑翼飞行器可用于战场侦察、巡逻、突袭、信号干扰及进行城市作战等。

虽然国内外对扑翼飞行器空气动力学、飞行力学及其实现机构的研究已取得了初步的理论和试验成果，但是这些研究距离实际能够飞行的扑翼飞行器尚有一定差距。为了实现扑翼飞行，除了应继续从理论和实验上进一步深入地研究扑翼飞行机理之外，非定常空气动力学的研究、高性能的动力系统和能源问题、高效扑翼驱动机构的设计与制造以及以后的通信与控制系统等应成为扑翼飞行器研制的关键。特别是翼展为150mm以下的扑翼飞行器具有很大的实用价值，与之相关的研究应成为我国的研究重点。

仿生扑翼飞行研究以模仿鸟和昆虫纲扑翅运动为主，但昆虫和鸟类的翅膀不像飞机翼那样具有标准的流线型，而是类似的平面薄体结构。按照传统的空气动力学理论，它们无法有效地利用空气的升力和阻力，因而就很难起飞。但是它们翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，这会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫、鸟类飞行的运动机理和空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础。因此我们应在充分认识生物飞行非定常空气动力学及翅膀运动模式的基础上，提取精华并简化运用，以实现能有效地产生升力和推进力的仿生机构，达到实现仿生扑翼飞行的目的。

早期仿生扑翼飞行器的研究经验告诉我们，仅靠人体肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。由于微型扑翼飞行器要求外形较小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少，这就要求我们在对仿生扑翼飞行内在关系的分析了解基础上，对其能源动力系统的质量、大小以及功率等方面的因素对扑翼飞行驱动的作用进行深入细致的探讨。考虑到扑翼飞行对质量和大小的要求，并从研究的角度及目前的动力系统发展趋势来看，在今后的研制过程中，电池和微小型电机应是相当长一段时间内的首选对象。

设计和制造具有非定常空气动力学特性的高效仿生翼，是仿生扑翼飞行研究中急待解决的问题。仿生翼必须轻而坚固，能够在高频振动下不会断裂，且要能够提供足够的升力和推进力等。仿生翼的研究包括翼的结构和形状设计、传动机构设计、材料的选择以及与制造有关的工艺问题。

在设计过程中，翼形主要还是仿造生物翼形状，翼的重量要轻，在扑动过程中还要有灵敏的柔性，当然还要通过多种翼形比较，选择最有效的形状。进行仿生翼研究的目的并不是要完全模仿生物的翅膀来实现灵巧的运动模式，而是在进一步研究鸟类、昆虫翅膀结构和运动特性的基础上，提取其精髓并进行简化，从而研制出更具灵活性和运动性能的翼形。

此外，材料的选择涉及仿生扑翼飞行的整个过程，设计中的重量轻、柔性以及微型化等要求都与材料有关。如在驱动结构设计中，压电陶瓷和化学肌肉等智能材料都被采用。另外，为保证整体重量轻，翼有一定强度且能灵活变形，聚脂化合物及碳纤维等也被广泛采用。在我们的研制过程中，必须综合考虑扑翼飞行的结构特性、运动和动力特性及机构制作的工艺特性要求来选择合适性能的材料。

在仿生飞行器的发展过程以及未来的应用过程中，通信和控制系统是必不可少的重要装备。在仿生飞行器运用飞行中，要实现飞行的控制与决策，这需要进行任务规划、路径规划、飞行模式规划和运动学控制，这其中的翼变化控制和稳定性控制是控制系统研究的关键。

像鸟类和昆虫一样实现对仿生扑翼飞行的控制是不现实的，控制系统须根据实际使用要求进行很大的简化。首先，将外部条件简化，即考虑飞行环境是理想的;其次，可采用多级简单控制方法。另外，结合实际研制过程，遥控操作、电子调速及方向舵相结合的简单控制系统仍将是首选。神经网络式控制系统的发展为仿生扑翼飞行器的控制系统研究提供了很好的前景。

此外，该类飞行器在执行任务过程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行器必须具备相对灵敏的通信系统，来实现对飞行器的控制以及传递收集有价值信息等。研制适合的GPS接收机和地面匹配系统是较为前沿的通信方式，这对该类飞行器的发展来说也是非常必要的。目前适用于仿生飞行器的通信系统仍处于不断发展的阶段，但随着电子、计算机技术的快速发展，更加先进的通信技术肯定能够得以实现。

与传统的飞行器一样，扑翼飞行器也同样可以在救灾抢险现场发挥重要作用，譬如灾后人员搜寻，在救援人员不方便进行地毯式搜寻的地方辅助进行搜救，可以显著地降低人力成本，提高搜寻效率。

由于飞鸟撞击客机或者异物进入发动机造成的飞行事故层出不穷，因此鸟纲一直是飞机飞时的重大潜在危险因素，仿生扑翼飞行器的研制提供了一条高效可行的新思路——将仿生扑翼飞行器制作猛禽外型，再于扑翼飞行器上装配蜂鸣器，模仿猛禽的叫声，如此便可低成本的完成驱鸟工作。

动作优美，姿态优雅的仿生扑翼飞行器，具有极强的观赏性。伴随市场经济的快速发展，居民精神文明和审美水平也水涨船高，各种商业剪彩活动也在寻找能够吸引人的表演方式，仿生飞行器的表演将会更加具有市场前景。

森林火灾每年都有发生，给生态环境带来严重的灾害，预防森林火灾的意义不言自明，扑翼飞行器得益于其良好的气动特性和能效利用率，在森林防火的预防上已经崭露头角。

由于其独特的仿生外形，会使得天然鸟类与其及其亲近，故此可以利用仿生扑翼飞行器用于生物研究，慢慢接近那些比较怕人且不常见的生物对生态学和生物学研究也将起到重要作用。

旋翼无人机在战场的应用相当成熟，但是是在战场上很难躲过对方的视线，极易引起打草惊蛇，不利于任务的执行，扑翼飞行器所具有的仿生外形以及足够以及乱真的飞行动作，使得很难被发现，加上体积与真实鸟类相差不大，还可以在雷达侦测范围内，鱼目混珠，不被发现，使得战场侦察工具有更好的隐蔽能力和生存能力。

小规模战争的制胜关键已经变成了信息对抗技术，通信系统对于战争的影响不言而喻，得益于扑翼飞行器良好的仿生性，扑翼飞行器可在某一特定地点定点盘旋，在灾区通信中断的情况下完成通信中继任务。

在现代城市反恐战与争夺战中，任务场地及其狭窄，大兵团以及重武器装备很难展开，扑翼飞行器便可发挥其仿生性高，体积较小，可以规避雷达监测的特点，可搭载图传模块和一定当量的炸药，代替士兵执行侦察、投弹、爆破的任务，减少战场伤亡率提高作战效果。