雖然昆蟲及其近親占全世界所有物種的80%———已知種類就多達約90萬種———然而，它們的飛行機制在很長時間里一直是謎。傳統(tǒng)固翼飛機依靠機翼上方穩(wěn)定的氣流，直升機旋翼也是如此。然而，當昆蟲來回拍動翅膀，周圍的空氣不斷變化。蜜蜂等昆蟲的短小翅膀所承載的重量，用傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)空氣動力學原理無法解釋。

    在科學家能夠解釋撲翼飛行原理之前，他們首先需要觀察最微小的細節(jié)。上世紀70年代，劍橋大學的丹麥動物學家托克爾·維斯-福格用高速照相技術分析了飛行昆蟲的翅膀運動，并和昆蟲的形態(tài)特征進行比較。據(jù)此，他得出了昆蟲飛行的普遍原理。昆蟲在上下拍動翅膀時，雙翅靠近又拉開，這一運動將空氣撥開，創(chuàng)造一個低壓氣穴。然后，旁邊的空氣沖入這個氣穴，形成漩渦。漩渦創(chuàng)造了足以在拍翅間歇支撐昆蟲的力量。維斯-福格指出，翅膀的旋轉和角度或許可以創(chuàng)造類似的空氣漩渦，提供額外升力。

    20年后，計算機技術發(fā)展了這一理論，科學家們開始將這些原理用于人造系統(tǒng)。劍橋大學的動物學家，維斯-福格從前的學生查爾斯·艾靈頓制造了一對可以準確模仿天蛾飛行運動的機械翅膀。他將其放進一個充滿煙的風洞，從而分析翅膀拍動時的流體動力學。在加州大學伯克萊分校，神經(jīng)生物學家邁克爾·迪肯森仿照果蠅飛行的自然運動制造了一對機械翅膀，將其放入一個裝滿兩噸礦物油的水箱。世界各地的科學家們逐步揭開了昆蟲飛行空氣動力學的諸多細節(jié)。

    迪肯森和電氣工程師羅恩·菲爾林在1998年贏得了D A R PA (美國國防部高級研究計劃局)20萬美元的獎金，致力于將這些原理應用于設計制造微型飛行器。他們招募了研究生羅伯·伍德等人，幫助開發(fā)制造微型零件的技術，然后用鑷子費力地將這些零件組裝起來。迪肯森和菲爾林還告訴他們必須達到的重要空氣動力學標準。”蒼蠅翅膀運動的軌跡非常復雜，需要考慮眾多微妙的細節(jié)，”伍德說，“邁克爾告訴我們，創(chuàng)造漩渦最重要的特征和其他空氣動力學效用。”

    2004年，伍德研究生畢業(yè)，在哈佛擁有了自己的實驗室，他幫助開創(chuàng)了用高能效的另類材料復制蒼蠅翅膀的方法；還設計建造了一個陀螺儀，用于模仿昆蟲監(jiān)控身體旋轉的感應器；他還發(fā)明了制造微型復雜系統(tǒng)的方法。接下來的一步是將零件組裝起來，造出一只昆蟲大小的飛行器。

    2006年一個寒冷的日子，伍德來到他的哈佛實驗室。在工作臺上放著一個60毫克重的機器人，它有的翼展僅3厘米，身子大小相當于普通蒼蠅。它連接著一個6英尺高的電腦架，上面放滿了高壓放大器和數(shù)據(jù)采集設備。伍德小心地檢查了連接和信號。

    然后，他打開電源，看著他創(chuàng)造的小東西的翅膀開始震動，將機器帶入空中，并停留了幾秒鐘。伍德高興地跳了起來。走到這一步足足花了他七年時間，達到下一個技術突破———沿著設定的線路持續(xù)飛行———又將耗費年。2012年夏，一封見證這一里程碑時刻的郵件于凌晨3點抵達他的郵箱。一名欣喜若狂的研究生發(fā)來的一段視頻，上面記錄了最新型號R oboB ee的試驗進展。視頻顯示，這個精巧的小機器升入空中，第一次展示昆蟲大小的飛行器也可以穩(wěn)定地盤旋，并按照指令行動。

    “那天晚上我根本睡不著，”伍德說，“第二天，我們開香檳慶祝這一重要時刻，更重要的是，這讓大家如釋重負：如果遲遲無法成功，這恐怕說明，我們一直以來研究的方向都是錯誤的。”

    伍德開創(chuàng)了微型飛行器的先例；其他的研究者則縮小了可載重仿昆蟲飛行器的大小。2011年，加州A eroV irom ent公司展示了它的納米蜂鳥。這款微型飛行器翼展16.5厘米；可垂直向、水平向飛行，可在大風中保持懸停狀態(tài)。它重19克，比一些A A電池還輕，可攜帶一個微型相機、通信系統(tǒng)和能源。

    佐治亞理工學院的衍生公司T echJect不久前展示了一款機械蜻蜓。它翼展6英寸，重5.5克，可裝備模塊化電子包、拍攝高清視頻，進行無線通信。T echJect的蜻蜓利用了叫做“共振”的空氣動力學原理。當翅膀以最優(yōu)頻率拍動時——— 空氣密度、撲翼頻率和機體重量達到完美平衡——— 可創(chuàng)造波浪般連續(xù)的漩渦，相互融合擴大。T echJect的總裁杰揚·拉蒂解釋說，這一效果在蜂鳥和蜜蜂身上的具體表現(xiàn)就是那種嗚嗚的轟鳴聲。撲翼無人機利用共振現(xiàn)象大幅節(jié)省能源，用最小的能耗創(chuàng)造最優(yōu)的升力。

    去年，拉蒂和他的團隊向業(yè)余愛好者們推出了商業(yè)版的蜻蜓無人機。他們計劃于2014年針對另一塊市場發(fā)布新的版本。“顧客的接受度意外地好，”拉蒂說，“這并非成熟的技術，但距離那一步并不遙遠。我們還在接收反饋意見，逐步改進。”

    解決了飛行和負重的問題，昆蟲無人機依然太脆弱，遇到?jīng)_擊很容易損壞。因此，蓋勒和范內克決定專注于耐用性。在觀察了酒吧內蒼蠅撞玻璃的一幕后，兩位工程師決定求助于一位知道如何復制昆蟲飛行的專家。他們決定和伍德合作。此時，伍德的實驗室已經(jīng)加入哈佛Wyss仿生工程研究所。兩支團隊一起申請了美國空軍研究經(jīng)費。伍德的小組用一套圖像捕捉系統(tǒng)記錄并分析蒼蠅在撞擊玻璃時刻和前后的飛行行為。

    當蓋勒和范內克放慢視頻播放速度后，不禁驚訝于看到的景象。“我原以為，蒼蠅會翻滾，并向下掉一大截，”范內克說，“但實際上，蒼蠅很優(yōu)雅地就恢復了正常姿態(tài)。這絕對是一個突破口。”

    蓋勒和范內克瞄準了蒼蠅身體的幾何結構。它的外骨骼有著類似手風琴褶皺一樣的結構，可吸收沖擊力。它似乎還可感應到即將發(fā)生的撞擊。就在撞擊前一瞬間，蒼蠅突然改變了飛行角度，確使腿部首先觸及玻璃。在同一時刻，翅膀停止拍動。每次撞擊玻璃時，它都順應撞擊的沖力，自然下落。但是就在微秒之間，蒼蠅的重心似乎立刻又將它拉回穩(wěn)定的位置。翅膀重新拍動，恢復了正常飛行。“它在撞擊后可在兩三次翅膀拍動的時間內完全恢復，令人驚嘆，”范內克說，“沒有人造系統(tǒng)可以做到這個程度。”

    兩位工程師利用新發(fā)現(xiàn)的知識研發(fā)出一種耐摔打的微型飛行器。它的身體必須能夠抵御沖擊，翅膀必須能夠獨立控制。于是，他們?yōu)槲⑿蜋C器人設計了一種外殼，上面獨特的沖擊吸收設計——— 鑲嵌在碳纖維和塑料部件之間的橡膠。為了模仿各種不同的翅膀拍打頻率———賦予4扇翅膀的昆蟲超凡的空中控制能力———他們給4個轉子配備了各自獨立的馬達。當飛行器遭遇狂風，或是碰到障礙物，電腦檢測到目前位置與設置飛行路徑的差異，自動駕駛系統(tǒng)立刻取而代之，控制飛行器恢復正常狀態(tài)。

    去年2月，兩名工程師設計的無人機InstantEye參加了喬治亞州貝寧堡軍事基地舉辦的年度“美國陸軍遠征勇士實驗”。一個步兵排在它的幫助下完成了一系列制定任務。士兵們給予了它最高等級的“綠色”評價。

    當?shù)谝淮⑿蜔o人機進入市場，巨大的工程學挑戰(zhàn)依然存在。對于伍德而言，最大的障礙似乎是動力。不同于體型大得多的InstantE ye、納米蜂鳥和蜻蜓無人機，R oboBee必須連接外部電源。伍德正嘗試用微細加工技術縮小電池。他還和哈佛、華盛頓大學和麻省理工學院的研究人員合作，研究新型電池、微型燃料電池和無線輸電技術。據(jù)他估計，距離第一款自帶動力RoboBee問世還有1-2年。