天博官网新版app科学家揭开“独角仙”甲虫振翅和收翼之谜改进扑翼机
发布日期:2024-08-05
甲虫犀金龟俗称“独角仙”。它拥有两对翅膀——一对厚实的鞘翅,作为前翅;和一对薄膜状的、可以像折纸一样折叠的后翅。
北京时间7月31日晚,一项在线发表在国际学术杂志《自然》(Nature)上的最新研究,揭开了甲虫“独角仙”犀金龟的振翅和收翼之谜,并启发了人们如何改进扑翼机。
相比固定翼或旋翼飞行器,扑翼机具有飞行效率更高、隐蔽性强、机动性强、适应性强等优点。扑翼机的机翼能像鸟或昆虫的翅膀那样上下扑动,进行适时调整。
过去十年中,科学家们开发出模仿昆虫的多种扑翼机器人天博官网新版app,但是,它们都无法像昆虫一样收翼——在碰撞或休息时,收起柔软而强韧的翅膀。这些机器人都使用完全伸展的扑翼。
来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员黄武潘(Hoang-Vu Phan)及其同事通过高速摄像机,拍摄犀金龟振翅和收翼过程,并进行分析。
他们将最新的发现应用在微型扑翼机的设计上,实现了100毫秒内快速关闭其机翼,同时允许其在各种频率下在一个拍打周期内释放机翼。
Hoang-Vu Phan向澎湃科技介绍,这种微小的扑翼机器人可用于人类无法进入的狭小空间,例如在倒塌建筑物中执行搜救任务。在这种情况下,扑翼机器人可以在飞行后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,也降低了损坏的风险。它也可以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。
鸟类和蝙蝠因为拥有发达的胸肌等飞翔肌肉,能够在飞翔时伸展翼、翅,而在休息时,收起翼、翅,使之贴附身体。昆虫虽然也能这样振翅、收翼,但其细节机制一直是个谜。
甲虫犀金龟俗称“独角仙”。它拥有两对翅膀——一对厚实的鞘翅,作为前翅;和一对薄膜状的、可以像折纸一样折叠的后翅。
甲虫飞行时,需要先举起鞘翅,再展开相对“庞大”的后翅,并主要靠扇动后翅,来提供飞行动力,实现腾空、悬停等飞翔动作。停下来时,它的一对后翅能够折叠,藏在鞘翅底下。
Hoang-Vu Phan及其同事发现,甲虫展开翅膀需要经过两个过程,其中,其后翅动作的完成不需要肌肉控制。
他们发现,甲虫后翅的释放、展开是被动的,其折叠收起也是被动的。在没有鞘翅的情况下,其后翅会保持抬升状态。因此,在第一阶段,当甲虫打开鞘翅,它的后翅就会像弹簧一样,部分弹开,表现出欠阻尼弹簧-质量系统的特征。
研究人员发现,甲虫的后翅只有在开始拍打时才会展开。也就是说,在第二阶段,甲虫拍打后翅的同时,后翅基部提升,翼尖展开,进入飞行状态。
而甲虫收起后翅,需要鞘翅的推动,用一个前缘推动另一前缘。为了验证这一点,Hoang-Vu Phan及其同事将甲虫的一个鞘翅去掉,发现甲虫在没有鞘翅的情况下无法缩回后翅。
此前,人们对于甲虫的后翅如何提升到飞行位置,并重新恢复折叠的机制仍然知之甚少。有研究认为,甲虫的胸部肌肉驱动了其后翅基部运动,但缺乏支持这一理论的实验证据。而最新发表的研究证据显示,其后翅的释放与鞘翅有关,其折叠由鞘翅驱动。
受到前述观察结果的启发,Hoang-Vu Phan等研究人员制作了一个模仿甲虫翅膀被动展开与缩回的微型机器人,机器人成功地起飞并维持了飞行。
Hoang-Vu Phan在接受澎湃科技采访中表示,该微型机器人机翼的“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。这不仅使机器人更像昆虫,而且让它们可以在起飞时被动展开翅膀,稳定地悬停,并在着陆时或飞行中发生碰撞时快速收翼,而无需额外的装置。