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作品名称：基于拓扑优化的仿生蝴蝶设计
学校名称：长春大学
参赛队伍：moment
队伍编号：210706
参赛学生：朱雅娟汝想西热桑姆
指导老师：张子阳
投票日期：2025年10月10日 00:00->2025年12月15日 00:00
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详细说明

仿生蝴蝶是一款以自然蝴蝶为设计蓝本，融合机械工程、力学、材料科学与电控技术的新型仿生机器人，核心目标是还原蝴蝶 “静音飞行、缓扇高升力” 的特性，并实现人为精准操控。其设计灵感源于蝴蝶独特的飞行机理 —— 相较于传统飞行器，蝴蝶翅膀扇动频率低却能产生充足升力，且飞行过程几乎无噪音，这种特性使其在复杂场景（如狭窄空间、敏感环境）中具备天然优势。

在技术实现上，仿生蝴蝶通过深入剖析蝴蝶翅膀的扑动轨迹、空气动力学效应，结合拓扑优化技术优化结构，利用轻量化材料打造翼型与机身，并搭载基于单片机的电控系统，实现翅膀扑动频率、角度的精准调控，以及飞行方向（俯仰、偏航）的灵活切换。

从应用价值来看，仿生蝴蝶不仅是仿生技术的典型载体，更能为多领域提供创新解决方案：在环境监测中，可悄无声息地深入森林、湿地等生态区域，采集空气质量、温湿度数据；在娱乐领域，可作为大型活动、主题展览的动态景观元素；在军事侦察领域，能以 “生物拟态” 优势规避探测，完成近距离信息搜集。同时，其研发过程推动了 “仿生学 + 拓扑优化”“微观空气动力学 + 电控系统” 的跨学科融合，为小型仿生飞行器技术革新提供了新思路。

发展趋势

1.极简化与轻量化：通过拓扑优化、3D 打印技术，进一步去除结构冗余，采用高强度、低重量的复合材料（如碳纤维、轻质合金），使机身重量控制在 100g 以内，提升续航与机动性。

2.智能化升级：集成多传感器（如微型摄像头、温湿度传感器）与 AI 算法，实现 “自主避障”“路径规划”“环境数据实时传输”，从 “人为操控” 向 “半自主 - 全自主” 演进。

3.模块化设计：将翼型模块、电控模块、传感模块拆分，支持根据场景需求更换组件（如监测场景换高灵敏度传感器，娱乐场景换装饰性翼面），降低定制成本与维护难度。

4.场景多元化：从单一领域向 “多场景适配” 拓展，例如在医疗领域协助病房物资运输、在农业领域监测作物病虫害，成为 “低空微型作业平台” 的重要载体。

功能特点（拓扑优化赋能优势）

1.静音高效飞行：模仿蝴蝶低频率翼片扑动模式（扑动频率 5-8Hz），配合柔性蒙皮与流线型机身，飞行时噪音低于 40 分贝，同时基于伯努利原理与涡流机制，在低频率扑动下实现高升力，可承载自身重量（约 30-35g）及微型传感器（如 5g 以内的温湿度传感器）。

2.精准机动控制：通过单片机与双舵机差动驱动，可实现 ±30° 偏航转向，转向响应时间小于 0.5 秒，同时配备姿态反馈系统，在气流扰动环境下可自动调整翼片扑动参数，保持飞行稳定，适应室内外多种场景。

3.轻量化与高可靠性：采用拓扑优化结构与轻质材料（PLA 碳纤维复合材料、铝合金、聚酯薄膜），整体重量控制在 35g 以内，续航时间 20-30 分钟；关键部件（如舵机、连杆）采用标准化设计，便于更换与维护，结构故障率低于 5%。

4.多场景适配性：可根据应用需求集成附加功能，如在机身腹部安装微型温湿度传感器，用于环境监测；在头部安装 LED 灯，用于夜间娱乐展示；通过更换不同尺寸的翼片，可适配不同飞行速度（0.5-1.5m/s）需求。