吹起层层沙的扑翼机，能否从科幻走向现实？

在最近大热的电影《沙丘》中，影片制作方借助出色的道具和特效效果，以扑翼机这种历史悠久的飞行器结构作为现实原型，创造出了极具科幻效果的未来飞行器形象。

《沙丘》中的扑翼机

大多数影视剧、电子游戏中的原创飞行器，一般都会为了视觉效果、剧情安排等因素，在航空器的结构形式、部件比例、体积尺度等关键环节上扭曲失真。也就是说，影视作品中的道具，一般是无法在现实环境中付诸实用的。

虽然目前来说，现实生活中没有出现类似《沙丘》中这一体量的扑翼机，但电影的大热再次令人们想起扑翼机这一历史悠久的经典构型：未来，随着航空技术的发展，如《沙丘》中可载人、载荷的扑翼机是否可能真正出现并付诸实践？

扑翼机：人类最初的航空梦想

无论东方还是西方，人类最早对于飞行的梦想、特别是想象中飞行的实现方式，基本都源于摆脱世界限制的本能性冲动，而成型于现实生活中对鸟类飞行行为和生理外形的观摩。

我国商代的玉质羽人饰物

正是基于这一点，各民族的古老神话中，都不约而同的出现了以“人+翅膀”作为核心要素的各种形象——英雄、神仙、妖精、天使、甚至是恶魔。

比如就中国传统文化而言，楚辞中“仍羽人于丹丘兮 , 留不死之旧乡”一句，既涉及通过羽翅飞天又涉及长生；这就是很典型的文学手法，将人超脱世界限制的欲望映射在想象与叙事中。 而与之对应，这些想象中的概念人物都具备翅膀这样的硬件基础，而其飞行的动作也总是与翅膀的扑动是离不开的。

我国西汉铜羽人。直至汉朝，羽翅崇拜依然是中国神话中的重要元素。

这种对于飞行的朴素想象，促成了扑翼机设计的最初动力——既然人长不出翅膀，那就动手用木头、布料或是其它的材料，给自己做一个。

因为历史久远，所以扑翼机和扑翼飞行真正的最初尝试，是谁、在何时所进行，在今天已经完全不可考证。

从目前已有的历史资料来说，目前历史最早、证据较为充分的关于扑翼机设计的资料、尤其是带有机械结构图样的资料，出自欧洲文艺复兴时代的画家、博学家和发明家达·芬奇。

达·芬奇留下的扑翼飞行机械设想手稿

基于达·芬奇系列手稿而复原的扑翼机模型

在达·芬奇之后，扑翼机的发展迎来了一波高潮。社会文化风气的改变和技术能力进步，既使得探索飞行的冒险行为备受推崇，又使得更大、更轻、但更结实的结构在制造上获得了可行性：很多人将毕生精力都投入了扑翼机的研究中，为了验证扑翼飞行而活活摔死的也不在少数。

但客观来说，人类早期的飞行探索，尤其是载人飞行，扑翼机设计最终被证实是一条走不通的“死胡同”。当人类抛弃对鸟类的模仿之后，航空事业才真正走上了正轨。

游离于主流飞行器之外的扑翼机

严格来说，扑翼机是一种基于仿生学的产物——虽然在古代并没有这个概念。从仿生学的角度来说，近代之前的扑翼机设计存在大量致命的问题，这使得它根本无法实用化。

01

在高速摄影机发明之前

人类并不知道鸟类翅膀如何扑动

这个问题与足类、尤其是四足类机器人的研发历史非常相似。

早期扑翼机的设计，都是在缺乏有效力学理论分析指引的情况下，试图通过模仿鸟类动作而获得飞行的功能。但实际上人类的动态视觉能力非常有限，凭肉眼根本无法准确的观测和记录鸟类飞行时的翅膀动作。

飞行者一号

真正意识到并解决这个问题，是20世纪后，人类发明了摄影技术、尤其高速摄影（即实现慢镜头记录）技术之后才实现的。而这一时间节点甚至晚于固定翼技术路线的“飞行者一号”首飞的日期。

02

直至今日，人类也难以完全复制

鸟类的飞行结构和效率

从结构上讲，鸟类翅膀是由多个大活动幅度关节组成的骨架、多个肌肉群、以及实际上气动外形和力学特性都相当复杂的羽毛所组成；在飞行过程中，展弦比、后掠角、翼型、有效的翼面积.......时刻都在大幅度改变。对于飞行器设计来说，这需要非常复杂完善的神经系统功能来进行控制。

即使是在今天，要在载人飞机上做出这样的设计都相当不现实——仅仅从机翼可变的角度来说，哪怕是最简单的变后掠翼飞机都相当难以维护，这将直接导致其使用率低下、成本奇高。图-22M系列飞机甚至被本国地勤冠以“全天候缺陷载体”的恶名。

因此，在扑翼结构飞行器的设计上，极大程度的简化结构和控制设计就成为无法避免的问题。而这导致了它在飞行效率上必然远低于鸟类的原本水平。

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飞行原理上

扑翼机局限性极大

扑翼机的升空原理，是通过机翼的扑动而产生升力，这带来了一些根本性的限制：首先，随着尺寸的增大，其重量增长速率会远远高于飞机或者旋翼类飞行器。

因为这一问题，在自然界的鸟类中，即便像信天翁这样体型巨大的品种（翼展可达3至4米）体重一般也不超过9公斤。

加拿大C-GPTR保持了目前全球载人扑翼机的极限飞行纪录：在1米高度上平飞10秒，飞行距离330米。但降落时依然遭遇了机翼触地、机头损伤、起落架折断。

但即便如信天翁这样的大型鸟类，其扑翼飞行能力与效率也已经远低于中小型鸟类：其飞行过程更多地依赖于借助海面的上升气流进行滑翔。

信天翁体型与人类对比

而人造的扑翼机对于动力的利用效率尚远不及信天翁这样的鸟类，要造出载重能力能完成载人运输任务的型号，时至今日依然是不可能的任务。

这些因素的共同作用，使得扑翼机在很长时间里，都只能以皮筋动力的飞行模型等形式存在，用做个人爱好研究、或是青少年科学教育，难以付诸实用。

科技进步带来的实用可能性

科幻影片所追求的氛围很大程度上正是脱离现实生活，毕竟电影的本质是造梦。但 但这并不意味着，扑翼机概念就都不具备实际可行性。

目前 小型先进扑翼机正在全球兴起，并且很可能会在未来承担起一些重要的实用性任务。

基于现代仿生学的小型扑翼机

近几十年以来，高速摄影机、非定常空气动力学、数字化电路控制技术、微型机电技术、新材料应用.......新的技术基础，使得小型扑翼机在模仿鸟类和昆虫的飞行能力上取得了长足的进步；同时也使得在非常小的体积和重量限制下，一些任务载荷依然能实现拍照、录像、甚至使爆炸的功能。

在这种情况下，扑翼飞行器完全有潜力进行针对性的伪装设计，使其外形尺寸和外观特征都高度接近目标区域的常见鸟类；在特定的情况下，执行隐蔽的侦察、监视任务，甚至是穿透安保体系发起自杀式攻击。

也因此，对于扑翼机的未来，依然值得期待。

文案：侯知健

排版：蓝　风

编审：武　晨

监制：王　兰

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