受种子启发的单旋翼飞行器得以实现，32克重量实现26分钟悬停飞行

新加坡科技设计大学的研究团队从枫树种子的自然旋转中汲取灵感，开发出一款仅重32克的单旋翼无人机，在仅使用单个执行器的情况下实现了26分钟的自主悬停飞行。这一突破性成果颠覆了传统小型无人机设计理念，为微型飞行器的效能极限树立了新的标杆。

从自然获得设计灵感

从SG50到SG60，SUTD十年的无人机创新。来源：SUTD

传统多旋翼无人机在小型化过程中面临着固有的效率瓶颈。随着尺寸缩小，小型螺旋桨产生的推力有限，但功耗依然可观，导致续航能力急剧下降。新加坡科技设计大学副教授方绍辉及其团队没有继续在多旋翼系统上寻求突破，而是将目光投向了大自然中的飞行高手——枫树翅果。

翅果在从树上脱落时会进入自旋状态，通过被动稳定性和高效升力产生实现优雅的滑翔降落。研究团队意识到，枫树翅果的每一部分都对升力产生贡献，这种设计哲学恰好契合了他们对极简高效飞行器的追求。

该团队采用了独特的设计策略：用单个电机驱动带翼机身进行旋转，通过被动动力学实现稳定，同时利用大型翼面提供升力。这种设计摒弃了复杂的齿轮箱、机械连杆等传统组件，在结构简单性和机械效率之间找到了完美平衡点。

人工智能优化设计过程

虽然仿生灵感来源于人类观察，但具体的设计优化过程则充分利用了人工智能技术。研究团队使用代理优化方法——一种数据驱动的搜索算法，对机翼形状、俯仰角度和质量分布进行精确调节。这种方法能够高效探索设计可能性，避免了穷举测试每种配置的繁琐过程。

整个优化流程结合了经典空气动力学理论与实际性能建模。最终产品实现了9.1克/瓦的功率载荷比，在同等尺寸和重量级别的微型飞行器中表现卓越。研究员蔡昕宇表示，这是同类产品中的首次突破，证明了通过正确的空气动力学和系统级设计，微型飞行机器人可以达到与大型系统相媲美的续航能力。

应用前景与技术演进

这款单旋翼无人机的续航能力和结构简洁性为低成本、长时间任务提供了新的可能性。团队正在探索的应用之一是轻量化可重复使用的无线电探空仪——一种用于气象感测和监控的气球载仪器，该项目已获得2024年詹姆斯·戴森奖的可持续发展奖。

当前原型机使用商用组件制造，未来工作将专注于开发定制部件以进一步提升性能。蔡昕宇透露，下一步目标是在不显著增加重量的前提下提高载荷能力和飞行时间，同时探索将先进材料和仿生翼形变技术融入设计过程。

该项目还承载着特殊的历史意义。十年前，当新加坡庆祝建国50周年时，方绍辉教授团队曾接受挑战，设计制造了能够持续飞行50分钟的无人机。如今，团队将目标锁定在新加坡60周年庆典：开发能够飞行超过60分钟的单旋翼无人机。

与当年庞大复杂的SG50四旋翼无人机相比，新的SG60单旋翼无人机在所有可量化指标上都表现优异：更小、更简单、功率效率提升超过两倍。方绍辉教授指出："通常情况下，效率会随着规模增大而提升。但在这里，我们颠覆了这一规律，成功缩小了系统规模的同时提高了运行效率。"

这项研究完美诠释了严格工程设计与创新设计思维的结合如何将仿生理念转化为可行的技术平台。正如方绍辉教授所言："关键在于理解底层物理原理，建立可靠模型，并运用这些知识推动小型飞行机器人能力的极限。"随着技术进一步发展，这种技术有望在多个既有和新兴应用领域发挥关键作用。