水黽能輕松實(shí)現(xiàn)“水上漂”，而且動(dòng)作十分敏捷，其獨(dú)特的扇狀推進(jìn)器使其能在急流中滑行：這些推進(jìn)器能自如開(kāi)合，速度比眨眼快十倍。由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、佐治亞理工學(xué)院與韓國(guó)亞洲大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)受此生物創(chuàng)新啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出昆蟲(chóng)尺度機(jī)器人，并采用工程化自變形扇葉模擬水黽昆蟲(chóng)的敏捷運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)研究揭示了自然選擇塑造的生物適應(yīng)性形態(tài)與功能，如何在不增加能耗的前提下提升水黽與仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力及耐力。近日，相關(guān)研究發(fā)表于《科學(xué)》。
“我首次看到水黽，就被深深吸引。”該論文主要作者、現(xiàn)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校教授Victor Ortega-Jimenez表示，“這些微小昆蟲(chóng)在湍急溪流表面高速滑行轉(zhuǎn)向，宛如飛行昆蟲(chóng)。它們?nèi)绾巫龅剑窟@個(gè)問(wèn)題縈繞我心，通過(guò)五年的國(guó)際合作才找到答案。”
展示扇狀結(jié)構(gòu)的水黽。圖源：Ortega-Jimenez
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為這些扇葉僅靠肌肉驅(qū)動(dòng)。但這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，水黽的扁平緞帶狀扇葉其實(shí)能利用表面張力與彈力被動(dòng)變形，無(wú)需肌肉供能。這種收腿時(shí)的折疊性與推進(jìn)時(shí)的剛性相結(jié)合，使昆蟲(chóng)能在50毫秒內(nèi)急轉(zhuǎn)彎，速度高達(dá)每秒120個(gè)身長(zhǎng)，堪比飛蠅的空中機(jī)動(dòng)能力。
制造昆蟲(chóng)尺度的水黽仿生機(jī)器人面臨重大挑戰(zhàn)，尤其是扇葉微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。亞洲大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)掃描電子顯微鏡獲得高分辨率扇葉圖像，最終解開(kāi)謎題。
“我們最初設(shè)計(jì)了各種圓柱形扇葉，但無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)推力所需的剛性與折疊所需的柔性。經(jīng)歷多次失敗后，我們開(kāi)發(fā)出扁平緞帶狀扇葉。后來(lái)發(fā)現(xiàn)水黽的扇葉正是這種未被報(bào)道過(guò)的微結(jié)構(gòu)，這驗(yàn)證了我們的設(shè)計(jì)理念。”該研究共同第一作者、亞洲大學(xué)博士后Dongjin Kim解釋道。
基于這些發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)解碼了自然推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，并成功研發(fā)出機(jī)器人。最終研制出1毫克重的彈性毛細(xì)自展開(kāi)扇葉，并將其集成至昆蟲(chóng)尺度機(jī)器人。通過(guò)活體昆蟲(chóng)與機(jī)器人原型對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其在推力、制動(dòng)和機(jī)動(dòng)性方面的提升。
“我們的機(jī)器人扇葉與生物原型完全一致。在微型機(jī)器人領(lǐng)域，此類高效獨(dú)特機(jī)制將是突破傳統(tǒng)機(jī)器人小型化限制的關(guān)鍵技術(shù)。”亞洲大學(xué)教授Je-sung Koh表示。
這項(xiàng)研究不僅建立了扇葉微結(jié)構(gòu)與水生運(yùn)動(dòng)控制的直接關(guān)聯(lián)，更是對(duì)仿生機(jī)器人領(lǐng)域具有廣泛意義，特別是在環(huán)境監(jiān)測(cè)微型設(shè)備、微型搜救機(jī)器人和水陸兩棲機(jī)器人研發(fā)方面提供重要參考。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv2792
本文鏈接：科學(xué)家受水黽啟發(fā)研發(fā)超高速微型機(jī)器人http://www.sq15.cn/show-11-25162-0.html
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