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甲蟲犀金龜俗稱「獨角仙」。它擁有兩對翅膀——一對厚實的鞘翅,作為前翅;和一對薄膜狀的、可以像折紙一樣折疊的後翅。
甲蟲擁有所有昆蟲中最復雜的振翅和收翼機制。
台北時間7月31日晚,一項線上發表在國際學術雜誌【自然】(Nature)上的最新研究,揭開了甲蟲「獨角仙」犀金龜的振翅和收翼之謎,並啟發了人們如何改進撲翼機。
相比固定翼或旋翼飛行器,撲翼機具有飛行效率更高、隱蔽性強、機動性強、適應力強等優點。撲翼機的機翼能像鳥或昆蟲的翅膀那樣上下撲動,進行適時調整。
過去十年中,科學家們開發出模仿昆蟲的多種撲翼機器人,但是,它們都無法像昆蟲一樣收翼——在碰撞或休息時,收起柔軟而強韌的翅膀。這些機器人都使用完全伸展的撲翼。
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振翅的甲蟲。(00:11)
來自瑞士洛桑聯邦理工學院的研究人員黃武潘(Hoang-Vu Phan)及其同事透過高速攝影機,拍攝犀金龜振翅和收翼過程,並進行分析。
他們將最新的發現套用在微型撲翼機的設計上,實作了100毫秒內快速關閉其機翼,同時允許其在各種頻率下在一個拍打周期內釋放機翼。
Hoang-Vu Phan向澎湃科技介紹,這種微小的撲翼機器人可用於人類無法進入的狹小空間,例如在倒塌建築物中執行搜救任務。在這種情況下,撲翼機器人可以在飛行後將脆弱的翅膀折疊存放在身體上,便於在狹窄的空間中移動,也降低了損壞的風險。它也可以幫助生物學家研究昆蟲的飛行力學,探索森林中昆蟲的野生行為。這是傳統旋翼無人機無法實作的。
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可以快速關閉機翼的微型撲翼機。
鳥類和蝙蝠因為擁有發達的胸肌等飛翔肌肉,能夠在飛翔時伸展翼、翅,而在休息時,收起翼、翅,使之貼附身體。昆蟲雖然也能這樣振翅、收翼,但其細節機制一直是個謎。
甲蟲飛行時,需要先舉起鞘翅,再展開相對「龐大」的後翅,並主要靠扇動後翅,來提供飛行動力,實作騰空、懸停等飛翔動作。停下來時,它的一對後翅能夠折疊,藏在鞘翅底下。
Hoang-Vu Phan及其同事發現,甲蟲展開翅膀需要經過兩個過程,其中,其後翅動作的完成不需要肌肉控制。
他們發現,甲蟲後翅的釋放、展開是被動的,其折疊收起也是被動的。在沒有鞘翅的情況下,其後翅會保持擡升狀態。因此,在第一階段,當甲蟲開啟鞘翅,它的後翅就會像彈簧一樣,部份彈開,表現出欠阻尼彈簧-品質系統的特征。
研究人員發現,甲蟲的後翅只有在開始拍打時才會展開。也就是說,在第二階段,甲蟲拍打後翅的同時,後翅基部提升,翼尖展開,進入飛行狀態。
而甲蟲收起後翅,需要鞘翅的推動,用一個前緣推動另一前緣。為了驗證這一點,Hoang-Vu Phan及其同事將甲蟲的一個鞘翅去掉,發現甲蟲在沒有鞘翅的情況下無法縮回後翅。
此前,人們對於甲蟲的後翅如何提升到飛行位置,並重新恢復折疊的機制仍然知之甚少。有研究認為,甲蟲的胸部肌肉驅動了其後翅基部運動,但缺乏支持這一理論的實驗證據。而最新發表的研究證據顯示,其後翅的釋放與鞘翅有關,其折疊由鞘翅驅動。
受到前述觀察結果的啟發,Hoang-Vu Phan等研究人員制作了一個模仿甲蟲翅膀被動展開與縮回的微型機器人,機器人成功地起飛並維持了飛行。
Hoang-Vu Phan在接受澎湃科技采訪中表示,該微型機器人機翼的「腋窩」處配備了彈性腱,替代甲蟲的鞘翅,以促進其在100毫秒內快速關閉機翼。這不僅使機器人更像昆蟲,而且讓它們可以在起飛時被動展開翅膀,穩定地懸停,並在著陸時或飛行中發生碰撞時快速收翼,而無需額外的裝置。