6年未接过横向课题，北航教授终于实现一个“全球之最”

作者：张晴丹 来源：中国科学报

“通过研究一根微梁的振动现象最终做出静电飞行器，我完全不敢想，更别说能发顶刊了。”

这是一个国内外都无人开辟的领域，北京航空航天大学（以下简称北航）教授漆明净带着学生申威、彭谨哲坚持6年，跨越了力学、电学、控制学和机器人等多个学科，攻克重重难关，在2024年研制出全球最小最轻、自然光驱动的静电飞行器。

这是国内首个在Nature上发表的飞行器成果，完全由北航科研团队自主研发。这也是两位第一作者——博士生申威和彭谨哲科研生涯中发表的第一篇论文。

漆明净（右）带着学生做实验

无人开辟的领域

随着使用场景的增加，微型飞行器逐渐获得广泛应用。然而这类传统微型飞行器的续航一直是个问题。例如当微型飞行器的重量小于10克时，飞行时间通常不超过10分钟，有时甚至低于1分钟。频繁更换电池导致许多场景里的需求无法满足。

“我们要解决的是能源动力问题。因尺寸效应，我们不能简单地把大型发动机微型化，这样发热问题太严重，必须要找到新的、颠覆性的原理，才有可能解决目前微型飞行器续航太短的难题。”论文通讯作者、北航教授漆明净在接受《中国科学报》采访时表示。

通过非常简单的公式推导，就会发现在电压很高、电流很低的情况下，可以从根本上解决发热问题，也特别适用于微型飞行器。而高压静电现象恰好拥有这些特性。于是他们独辟蹊径，想运用静电驱动原理去做航空发动机。

这一思路最早可以追溯到2010年。漆明净的导师闫晓军那时在美国加州大学伯克利分校的Lin Lab实验室访问，他与实验室成员一起发现微梁在稳态电场中有大幅振动的现象。当时现场有来自其他高校传感器学科的研究人员，他们认为这个现象不该出现，肯定是哪里出错了。

2011年，读研近两年时，漆明净接到了导师交给他的新任务——研究微梁静电颤振现象。“当时在一个方向已经研究两年了，突然又要换到另一个方向，我内心是抵触的，谁也不想跳出舒适区去折腾。但导师坚持让我试试再说，我也不好违拗。通过研究一根微梁的振动现象最终做出静电飞行器，我完全不敢想，更别说能发顶刊了。”彼时的漆明净对于此事心里完全没底。

这是国内外都无人开辟的领域，甚至跨越了力学、电学、控制学和机器人等多个学科，其难度可想而知。不过，经过几个月的精细计算和初步试验后，尚在硕士阶段的漆明净便改变了之前的看法。他坚定地认为这个方向大有可为，甚至已经想象到未来有一天静电飞行器飞上天的场景。于是他在当年便提交了转博申请，下定决心继续研究这个难题。

“只有学过航空的人才能敏锐地感觉到，这个现象与机翼颤动现象类似，蕴含了巨大能量，且梁本身柔性很好而不会被破坏。这就意味着，在宏观结构中振动不可控、会导致灾难性后果且需要避免的颤振现象，在微小结构中反而变得可控且可以利用了！或许我们可以利用这个现象，研制一款全新的航空发动机。”漆明净说。

漆明净在微梁两端加上蜜蜂翅膀制成扑翼结构，再通过特殊的结构设计让翅膀产生一定的运动轨迹，使其遵循昆虫飞行的高升力机理。经历无数次失败后，某一天晚上，漆明净继续调整参数，并将扑翼结构置于静电场中，它一下就飞起来了。这让漆明净激动得叫了起来。当时，他的女朋友在一旁不解地问道：“这现象真有这么了不起？”“因为这就证明了静电飞行器的可行性，同时也意味着我可以顺利博士毕业了。”漆明净说。

巴掌大小，比一个纸飞机还轻

漆明净的博士论文虽然实现了扑翼结构的起飞，验证了微梁颤振现象可以产生升力、用于制作航空发动机，但由于当时不能带多少载荷，离静电飞行器研制成功尚有一段距离。

不过，得益于攻读博士期间的研究成果，漆明净获得了留学基金委“未来科学家”项目的资助，前往加州大学伯克利分校Lin Lab实验室公派留学。结束两年半的博士后研究后，2018年，他回到北航带团队继续科研攻关。

为了解决飞行器整机无法起飞的问题，他们将往复振动的静电微梁改成了连续旋转的静电电机，实现了静电飞行器的首次整机起飞。

“在输出功率相同的情况下，相比传统电磁电机，我们的静电电机不发热、效率高、功耗极低。不过静电电机需要千伏级高压电流来驱动，这就需要一个升压电路。像我们常用的电蚊拍里就有升压电路，可它很重，无法用在微型飞行器上。”漆明净介绍。

于是，科研团队就研制了千伏级超轻质高压电源。大约1克的升压电路，便能将锂电池或者太阳能电池输出的3到5伏低压直流电转换为4000到9000伏的高压直流电。相比美国斯坦福大学研发的同类技术，他们的升压效率提高了92%。

有了微型静电电机和千伏级超轻质高压电源的双重加持，科研团队最终成功研发出全球最小、最轻的静电飞行器。该飞行器翼展20厘米，只有巴掌大小；重4.21g，比一个纸飞机还轻，就算掉到地上也摔不坏。

“我们的静电飞行器不仅能通过电池飞行更长时间，同时可以在纯自然光照条件下实现‘无限’续航。它的颠覆性在于，通过底层原理创新，使得整机尺寸和重量分别是此前世界最小、最轻太阳能飞行器的1/10和1/600。”漆明净补充道。

未来，这样的静电飞行器会有更广阔的发展前景，可以满足低空、长时间的探测需求。例如，观测一大片地区受灾情况、观察动物迁徙、狭窄空间执行任务等。

多学科拧成一股绳

要想在Nature上发飞行器领域的文章十分困难。历史上，第一项发在Nature上的飞行器成果出自100多年前的莱特兄弟之手。

最近几年微电子、微机电高速发展，也促使飞行器领域的改造赋能更加便捷，但截至目前国际上该领域的Nature文章尚不足10篇。最近的、具有代表性的有两篇。其中一篇是美国麻省理工学院科研团队在2018年发表的大型离子风飞行器的研究论文。其靠电离空气产生升力，进而推动飞行器。

此外，在静电飞行器这项成果发表之前，微型飞行器领域的最佳成果是哈佛大学2019年在Nature发表的仿昆虫飞行器成果，但其局限在于仍需采用三倍于自然光强度的人工光源才能实现持续飞行。

“与其相比，我们的静电飞行器仅靠自然光就能实现持续飞行，让微型飞行器的性能再上一个新台阶。按照审稿专家的说法，我们这项研究没有随大流按照仿生学设计微型飞行器，而是将目前技术的最新进展和突破性成果加以整合，打造出了理论上可以一直飞行的‘超级’微型飞行器。”漆明净说。

之所以能做出世界顶尖成果，是因为这是一个非常专注且团结的课题组。“这六年我没有接过一个横向课题，把组里所有的力量集中在一起，分别去攻克力学、电学、控制学等领域的难题。大家相互扶持、合理分工，围绕一个目标，拧成一股绳，共同攻关。”漆明净介绍，他们当时还借用了中国科学院微电子研究所的研究设备。

静电飞行器团队

漆明净

从0到1的过程总是痛苦难熬的，博士生申威和彭谨哲都经历过一段瓶颈期。

负责研发静电电机的申威在研究升重比时一直难有突破性进展，飞行器总是飞不起来。而且当时受到新冠疫情影响，做实验很不方便，研究几乎停滞不前。申威向漆明净表明想法：“老师，这个研究我已经做了两年多，还是没做出来，我想放弃，换一个方向。”

漆明净很理解学生的困惑，但他坚定地认为这条路走得通。“咱们已经推导过公式，也从底层原理仔细思考过，都没有问题。我们可以再坚持一下，一定会有突破。”在接下来的两个月时间，漆明净比平时更加关注学生的科研进展，更频繁地与其沟通交流，果然守得云开见月明。

而负责研发升压系统的彭谨哲则卡在了跨学科上。他就读的是能源与动力工程学院，非科班出身的他对电路并不熟悉。为了弥补这方面的短板，彭谨哲一方面积极向自动化和电学专业的老师请教，另一方面恶补相关专业知识，从一开始的毫无头绪，慢慢提升到能在电路领域独当一面。

有了团队上下三代人的不懈坚持和努力，才最终将静电驱动原理用于微型飞行器。这篇论文得到了Nature编辑和审稿人的高度评价，文章在第一轮审稿中就被原则性接收，在Nature上线当天，同时获Nature和Science两大顶级期刊官网的首页推荐，受关注度超过了同期90%的Nature成果。

（本文图片皆由受访者提供）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07609-4