图4 鲣鸟仿生样机
2012—2014年，北京航空航天大学对鲣鸟俯冲入水进行了大量研究，如图4（b）所示。2012年，利用CFD研究了鲣鸟以不同速度和倾角入水时的冲击加速度，证明了鲣鸟的身体结构可以有效地降低冲击力。而后，该团队建立了一个仿生鲣鸟的3D模型，并通过CFD模拟技术得到了机身纵轴方向的冲击加速度以及机翼后掠角在入水时的变化。随后，基于仿真结果研制了仿生样机，真实地获得了在入水时的机身纵轴方向的冲击加速度和机翼根部径向载荷。以上结果对于仿照鲣鸟俯冲入水的样机设计提供了数据支撑。
2016年，伦敦帝国理工学院（IC London）的Siddall等进一步研究了喷水推进器，并设计了潜水式高功率起飞两栖无人机AquaMAV，该无人机装有液态CO2气罐并使用SMA（形状记忆合金）阀门来控制CO2的释放。其模仿乌贼的喷水推进，利用高压CO2产生的高压水射流成功实现了高速水空过渡，且机翼为90°可变，如图4（c）所示。AquaMAV可以减少发射过程中的水阻力，其自身重量为100g，滑翔速度超过11m/s。该无人机的头部安装螺旋桨，与CO2推进器形成的混合推进系统推进了该类航行器的水空过渡速度与效率。
2019年，皇家墨尔本理工学院（RMIT）的Guo等设计的仿生鲣鸟样机如图4（d）所示。样机设计为65°后掠式机翼，并设计混动推进系统，水下发射使用压缩气体推进器，控制飞行使用可折叠的外部螺旋桨，水下航行则使用固定的内部螺旋桨。对推进系统得仿真和实验分析，验证其在水中和空气中可产生足够高效的推力。
2020年，新墨西哥州立大学（NMSU）的Peña等设计的仿生鲣鸟样机如图4（e）所示，研究了样机的机翼性能、浮力控制和推进机构等。该团队充分利用鲣鸟机翼形状的优势，采用升力线理论（LLT）、涡格法（VLM）、3D面板法等三维分析方法对鲣鸟的翼形进行分析。此外，由于鲣鸟无人机体积小、浮力大，该团队还设计了一个压载水舱。如果系统需要更大的浮力，可以装CO2；反之，如果需要的浮力较小，则可以装水。该罐可与压缩CO2一起使用，为水下发射提供高压推力。必要时可使用调节器控制CO2注入以维持CO2储存量，这种对CO2储存能力的保护有助于实现多次水下发射。
鲣鸟从空中俯冲入水的方式十分高效，通过折叠翅膀将身体变成纺锤形，然后高速潜入水中。以上样机都是在此仿生特征上研究的。但是，鲣鸟的水空过渡能力还不够优秀。IC London和RMIT的样机为了通过巨大的爆发力实现水下起飞，采用了喷水推进器的设计，这正是飞乌贼的特点。
06飞乌贼
2015年，伦敦帝国理工学院的Siddall等设计了一种仿乌贼的射流推进系统用于水空过渡，如图5（a）所示。该团队使用高功率密度液态CO2罐来产生射流并推动无人机快速起飞。
图5 飞乌贼样机
2019年，Zufferey等提出了一种可以从水面连续起飞的样机，它依靠固体反应物CaC2与水的化学反应，产生可燃气体C2H4，由火花塞点燃C2H4气体在无人机内部爆炸，如图5（b）所示。爆炸产生的巨大压力会将水箱内的水挤出，产生高压射流。CaC2的高能量密度和储存能力，实现了该样机从水面多次发射的操作。
2019年，Hou等提出了一种软体仿“乌贼”样机，通过喷射高压CO2气体实现水下喷水推进发射，如图5（c）所示。此外，该团队还设计了一种柔软的变形鳍片，依靠波纹管来实现鳍片的折叠变形，从而能紧紧地贴合在机身上。通过风洞、水洞试验证明，软鳍展开时可产生足够的升力，折叠时可显著降低水下运动阻力。作为一种水下生物，飞乌贼已经进化出2个适合跨介质的运动特征，即喷射出水和展开胸鳍在空中滑翔。
Zufferey等和Hou等分别在推进方式和AquaUAV的变结构机翼方面进行了重要创新。对于推进方式，依靠固体反应物的高能量密度，提高了水下发射速度，并实现了可重复性。对于可变结构设计，依靠软体材料增强了无人机的结构恢复能力，并通过模仿飞乌贼的收缩鳍将阻力最小化。
07水栖昆虫
2015年，哈佛大学的Chen等开发了一种微型AquaUAV——RoboBee I。该无人机重量只有80mg，依靠压电致动器来驱动扑翼。RoboBee I不仅可以完成空中和水下运动，还可以通过拍动翅膀实现空-水过渡。这是第一款可以实现该功能的昆虫机器人。更重要的是，该工作对扑翼的流体动力学分析不仅能够运用于昆虫鳞片，从毫米级的昆虫到米级的鱼类和鸟类都可以应用。因此他们推测扑翼可以应用于更大尺寸的两栖无人机。
2017年，Chen等开发了RoboBee II，如图5（d）所示。该机器人通过水下电解板产生氢气和氧气，然后用火花塞点燃氢氧混合物爆炸，成功实现了基于喷气推进的跨介质运动。
氢氧能源是一种新型的绿色能源，具有超高比能。电解水化学反应的合理应用，可以实现AquaUAV从水下到空中的连续发射，为未来中大型AquaUAV的能源发展带来无限可能。
关键技术
01变结构机翼设计
将具有跨介质能力以及跨介质应用潜力的机翼设计结构总结为2类，分别为变后掠翼结构、软体结构，如表1所示。此外，各用一个示例展现这2种结构的展开和折叠状态，如图6所示。
表1 结构兼容性设计优劣横向对比
图6 2种机翼结构的展开和折叠状态
变后掠翼
大多数具有水空过渡变形能力的样机都选择了模仿鲣鸟俯冲入水的变后掠翼结构。该结构最重要的特点是使用简单的驱动控制来实现机翼的向后折叠，如图6（a）所示。考虑到空气动力学性能，机翼的轮廓通常从NACA翼型中选择。此外，机翼是使用碳纤维或其他轻质高强度材料通过3D打印技术制造的。电池常用于为感应系统或液压系统供电。通过折叠机翼，减少了过渡时机身的截面积，增加了跨介质运动的流畅度。但机翼即使完全折叠，也会在一定程度上破坏机身的流线型结构，从而增加AquaUAV在过渡过程中的阻力。而且这种方案通常会简化机翼的结构设计以实现机翼的平滑变形，机翼面积小、展弦比低，使得机翼的气动性能难以达到预期的目标。
软体结构
受飞乌贼软鳍变形的启发，Hou等提出了可变形软体结构，如图6（b）所示。利用软体结构控制技术实现软体材料的变形，软体机翼可以在空-水过渡过程中包裹到机身上，从而减少阻力。软体机翼的潜在制作材料有橡胶、形状记忆合金、离子交换聚合物-金属复合材料、水凝胶等。驱动方法可分为物理驱动（例如SMA驱动）、压力驱动（例如高压气体、高压液体、内燃爆炸和其他软体致动器（例如介电弹性体）。Hou等的研究成功实现了基于气动波纹管和高压CO2驱动的飞乌贼软鳍设计。软体结构相比于传统的刚性摆动翼结构具有更好的动力学特性和高度仿生的外形设计，可以显著提高仿生AquaUAV的性能。然而，软体材料由于其自身的局限性，其刚度较小，并且软体机翼在高速飞行条件下容易抖动，因此姿态控制的可靠性不能得到充分保证。可变刚度技术可能有助于解决这个问题。
变结构机翼总结
机翼是AquaUAV的重要组成部分。想要增强样机在2种介质之间的运动能力，就必须设计出一种既能够适应水空多模式运动，又能在水空过渡过程中受控折叠的可变机翼系统。现有的水空跨介质样机变结构机翼设计仍存在刚性与仿生相似性的矛盾。
02能源与推进系统
AquaUAV运动性能的评估标准包括深度、高度、运动速度、水空过渡速度、执行连续发射的能力，强大的能量和高效的推进方式对其性能起着决定性的作用。
射流推进
喷水推进器可以在出水过程中为AquaUAV提供强大的动力，它是最快的水空过渡方式之一。对于水空过渡过程，能源功率输出速度的要求是推进器的设计中最为关键的。因此，总结了一些高能量密度和高功率密度的能源用于喷水推进。根据反应物的物理性质，AquaUAV现有的喷水动力来源可分为气体、液体和固体3类。此外，每种反应物也可被划分为2类：一类是已被研究和应用的，另一类则是具有潜在应用的，如表2所示。
表2 基于水射流的推进模式
