科学家揭开"独角仙"振翅之谜，启发扑翼机设计新突破
科学家揭开"独角仙"振翅之谜，启发扑翼机设计新突破
甲虫"独角仙"如何在100毫秒内完成振翅和收翼？这一自然界中的奇妙机制，如今正启发着科学家们改进扑翼机的设计。
甲虫犀金龟，俗称"独角仙"，拥有两对翅膀：一对厚实的鞘翅作为前翅，以及一对薄膜状、可折叠的后翅。甲虫的振翅和收翼机制是昆虫界中最复杂的之一。最近，一项发表在国际学术期刊《自然》上的研究，揭示了"独角仙"犀金龟的振翅和收翼之谜，并为扑翼机的设计提供了新的启示。
相比传统的固定翼或旋翼飞行器，扑翼机具有更高的飞行效率、更强的隐蔽性和机动性。其机翼能够像鸟或昆虫的翅膀那样上下扑动，并进行适时调整。然而，过去十年中开发的扑翼机器人，都无法像真正的昆虫那样收起翅膀，这限制了它们在狭小空间中的应用。
瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员黄武潘（Hoang-Vu Phan）及其团队，通过高速摄像机捕捉并分析了犀金龟的振翅和收翼过程。基于这一发现，他们设计出一种能够在100毫秒内快速关闭机翼的微型扑翼机，同时还能在不同频率下实现在一个拍打周期内释放机翼。
这种创新设计使得微小的扑翼机器人能够在人类无法进入的狭小空间中执行任务，例如在倒塌建筑物中进行搜救。在飞行后，机器人可以将脆弱的翅膀折叠存放在身体上，便于在狭窄的空间中移动，同时也降低了损坏的风险。此外，这种机器人还能帮助生物学家研究昆虫的飞行力学，探索森林中昆虫的野生行为，这是传统旋翼无人机无法实现的。
甲虫振翅和收翼的奥秘
鸟类和蝙蝠通过发达的胸肌等飞翔肌肉，在飞翔时伸展翼翅，休息时则将其收起贴附身体。昆虫同样具备这种能力，但其具体机制一直是个谜。甲虫的两对翅膀中，后翅相对"庞大"，在飞行时提供主要动力。停下来时，后翅能够折叠并藏在鞘翅底下。
研究团队发现，甲虫展开翅膀的过程分为两个阶段：
第一阶段：后翅的释放和展开是被动的，不需要肌肉控制。在没有鞘翅的情况下，后翅会保持抬升状态。当甲虫打开鞘翅时，后翅像弹簧一样部分弹开，表现出欠阻尼弹簧-质量系统的特征。
第二阶段：甲虫开始拍打后翅，同时后翅基部提升，翼尖展开，进入飞行状态。
收翼机制的突破性发现
甲虫收起后翅需要鞘翅的推动。研究团队通过实验验证了这一点：当去掉一个鞘翅时，甲虫无法缩回后翅。这一发现推翻了之前关于甲虫胸部肌肉驱动后翅基部运动的假设，证明了后翅的释放与鞘翅有关，折叠则由鞘翅驱动。
仿生机器人的创新设计
受这一发现的启发，研究团队设计了一个模仿甲虫翅膀被动展开与缩回的微型机器人。机器人机翼的"腋窝"处配备了弹性腱，替代甲虫的鞘翅，以促进其在100毫秒内快速关闭机翼。这种设计不仅使机器人更像昆虫，还让它们能够在起飞时被动展开翅膀，稳定地悬停，并在着陆或飞行中发生碰撞时快速收翼，而无需额外的装置。
这一突破性研究不仅揭示了昆虫振翅和收翼的复杂机制，还为开发更先进、更灵活的扑翼机器人提供了新的思路。未来，这种机器人有望在搜救、环境监测等领域发挥重要作用。
本文原文来自澎湃新闻