昆虫（如甲虫）的翅膀脆弱易损，需在非飞行时折叠以减少损伤风险。甲虫具有复杂的翅部结构：前翅（鞘翅）硬化用于保护后翅，后翅则为膜质折叠结构。传统观点认为，甲虫后翅的展开依赖于胸肌活动，但具体机制尚不明确。近日，洛桑联邦理工学院Hoang-Vu Phan等以独角仙（Allomyrina dichotoma）为对象，探究其后翅展开与收回的被动机制，并设计仿生微型机器人验证其应用价值，相关研究发表在Nature期刊。鸟类、蝙蝠和许多昆虫可以在休息时将翅膀贴在身体上，并展开它们来为飞行提供动力。而鸟类和蝙蝠使用发达的胸肌和翼肌控制翅膀折展，昆虫如何控制翅膀展开和缩回仍不清楚，这因昆虫种类而异。甲虫（鞘翅目）表现出最复杂的机制之一。在兜虫 Allomyrina dichotoma 中，翅膀展开是通过鞘翅的完全释放和后翅在其基部的部分释放来启动的。随后，甲虫开始拍打，抬高后翅基部并以类似折纸的方式展开后翅尖端。传统观点表明这是由胸肌驱动的。但本研究表明兜虫可以无需进行肌肉活动而毫不费力地展开后翅。打开鞘翅会触发后翅从身体中像弹簧一样部分释放，从而为随后的拍打运动提供所需的间隙，从而将后翅带入飞行位置。飞行后，甲虫可以利用鞘翅将后翅推回静止位置，进一步加强了被动部署的假设。研究中还使用了一个拍打微型机器人验证了这一假设，该机器人被动地展开翅膀以实现稳定、受控的飞行，并在着陆时将它们整齐地缩回，展示了一种简单而有效的昆虫状飞行微型机器的设计方法。图1甲虫 A. dichotoma 的被动后翅部署。a， 在地面运动或休息时，甲虫整齐地将后翅收在鞘翅下。插图显示了折叠配置时左后翼和右后翅的尖端相互堆叠。b， 甲虫通过完全打开鞘翅并从腹部部分释放后翅来准备飞行。c，鞘翅和后翼从静止到飞行位置的展开运动学。橙色，鞘翅;紫色，后翅;实线，机翼底部的仰角 （δ）;虚线、描边角度 （φ）。d，e，鞘翅释放后后翼的部分仰角 （d） 和角速度 （e），显示了欠阻尼弹簧质量系统的行为特征。阴影区域表示后翅的可变速度仰角。f，g，由甲虫 （n = 3） 提供动力的后翅拍打和展开运动学，其形式为半折叠的 8 字形 （f） 和时间的函数 （g）。h，i，后翼拍打和展开运动学 （n = 3） 由扑打机构驱动，其翅膀前缘轨迹的形式为倒置的 8 字形 （h） 并作为时间的函数 （i）。当鞘翅在 c 中开始抬升时，时间瞬间设置为 0 s，然后后翼的仰角在 d 的第一次释放中达到峰值，后翅在 g 和 i 的第二个展开阶段开始拍打。比例尺，1 厘米。图2甲虫可以在飞行后利用它们的鞘翅将后翅推回腹部，而无需后翅内部的肌肉活动。a，b，鞘翅（橙色）和后翼（蓝色）的缩回运动学，以机翼轨迹 （a） 和时间函数 （b） 的形式出现。后翼轨迹呈倒 8 字形，类似于图 1 中由拍打机构驱动的后翼展开轨迹。1h. 在 b 中，实线，机翼底部的仰角 （δ）;虚线、描边角度 （φ）。c， 连续的草图，说明了在鞘翅存在（左侧）和不存在（右侧）的情况下后翅的闭合轨迹。d，在闭合过程中，鞘翅（橙色）可以将后翅（蓝色）推回腹部 （n = 8）。e，在没有鞘翅的情况下，后翅在飞行后无法向后折叠 （n = 10）。f，g，在鞘翅存在 （f） 和不存在 （g） 的情况下，闭合前（n = 8，黑色）和后（n = 10，青色）后翅的平均仰角比较。箱形图表示中位数和四分位数，须线表示范围。P < 0.001;NS，不显著 （P = 0.09）;双样本、双尾 t 检验，95% 置信水平。当鞘翅在关闭时接触后翼时，时间瞬间设置为 0 秒。图3受昆虫启发的拍打翅膀，展开用于动力飞行，并折叠起来休息，无需额外的致动器。a，b，折叠 （a） 和伸展 （b） 构型的拍打翅膀。c，腋窝的弹性肌腱（以红色显示）使可展开机翼的被动折叠成为可能。最大仰角受阈值限制。d，弹性肌腱允许机翼在 100 毫秒内快速向后折叠。蓝色，有弹性肌腱 （n = 3）;黑色，无弹性肌腱 （n = 3）。线条和阴影区域分别表示平均值和标准差。e， 翅膀抬高仅由翅膀惯性在不同拍打频率下驱动，弹性肌腱位于腋窝。f，g，机翼前缘轨迹，以可伸缩机翼的仰角和行程角表示，阈值为 δ门槛= 90° （f） 和 δ门槛= 100° （g） 的。机翼在前一行程结束时与阈值碰撞所引起的反作用力可能导致机翼在下一行程开始时以 f 为单位向下运动。The CG翅膀F 表示机翼的重心。拍打频率为 20 Hz。h，三种机翼配置的周期平均垂直力与输入功率的函数关系。比例尺，1 厘米。图4受昆虫启发的扑翼微型机器人可以通过可自展开和可伸缩的机翼维持不受束缚、受控的飞行。a， 具有被动部署-缩回机翼的 18 g 无尾拍打机器人。b，机器人可以分别通过激活和停用拍打运动来被动展开和缩回其翅膀。c–e，机器人在起飞 （c）、悬停飞行 （d） 和着陆 （e） 期间的合成图像。f–i，三维飞行轨迹 （f） 和身体姿态角 - 滚转 （g）、俯仰 （h） 和偏航 （i）。g-i中的红色虚线表示 0° 的参考。机器人的偏航角漂移，因为它仅由角速率信号稳定。j，快速缩回保护机翼免受由于飞行中机翼碰撞而导致的迫降。当机翼与墙壁碰撞时，时间瞬间设置为 0 毫秒。比例尺，1 厘米。研究结果表明，兜虫（Allomyrina dichotoma）可通过预存能量与扑翼离心力实现后翅的被动展开，并依赖鞘翅接触将后翅推回折叠状态，而非依赖特定胸部肌肉的直接驱动。尽管甲虫通过肌肉控制实现鞘翅的展开与闭合，但后翅的被动激活模式及与鞘翅运动的非同步性表明，两对翅的展开-缩回机制存在功能解耦。这种机制表明，甲虫通过整合既有生理结构（如扑翼运动与鞘翅力学）减少肌肉能耗。然而，需通过记录胸肌电信号或实时监测肌肉活动，进一步验证该假说的普适性。本研究虽以兜虫为单一物种展开，但对照瓢虫等完全依赖预展开后翅飞行的甲虫类群，我们推测具有相似翅基运动模式的其他鞘翅目昆虫或普遍采用被动策略。此发现为探索小型飞行昆虫（如膜翅目、双翅目）的共性运动策略提供了新视角。基于此原理设计的仿生扑翼机器人，通过被动机构实现了翅的自主部署与快速回收。实验表明，该机器人可稳定悬停并耐受碰撞干扰，碰撞后翅迅速收回以降低损伤风险。进一步研究发现，离心力驱动的被动抬升机制具有跨尺度普适性——从毫米级甲虫后翅到厘米级机器人翼面，均能在特定扑动频率下实现高效展开。这一成果不仅深化了对昆虫运动力学的理解，更为微型扑翼机器人（尤其起飞重量受限的仿生系统）提供了轻量化、抗损性设计范式，使其在复杂狭小环境（如废墟搜救、密闭空间监测）中具备生物级环境适应性。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07755-9#MOESM13
文章来源：仿生科学与工程
