受犀牛甲虫翅膀动力学启发的拍打微型机器人

飞行动物翅膀的动力学一直是众多飞行机器人系统的灵感来源。鸟类和蝙蝠通常利用胸肌和翅膀肌肉产生的力量来拍打翅膀，但许多昆虫翅膀运动背后的过程仍不太清楚。

瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)和韩国建国大学的研究人员最近开始研究食草昆虫犀牛甲虫如何展开和收缩翅膀。他们在《自然》杂志上发表的一篇论文中概述了他们收集到的见解，然后利用这些见解开发了一种新型扑翼微型机器人，该机器人可以被动地展开和收缩翅膀，而无需大量执行器。

“理论上，人们认为包括甲虫在内的昆虫会使用胸肌在翼根处主动展开和收缩翅膀，类似于鸟类和蝙蝠，”论文的主要作者Hoang-VuPhan告诉TechXplore。“然而，记录或监测肌肉活动的方法仍然无法确定甲虫使用哪些肌肉来展开和收缩翅膀，也无法解释它们是如何做到这一点的。”

甲虫的后翅(即后翅)类似于可折叠的折纸结构，因为它们可以在休息时整齐地折叠并存放在鞘翅(即甲虫中常见的硬化前翅)下，然后在飞行时被动展开。许多过去的研究旨在在机器人中复制甲虫翅膀的动力学，因此利用了类似折纸的结构，而没有过多关注后翅根部的运动。

“这项研究是我2020年在《科学》杂志上发表的一项研究的后续，当时我们发现了犀牛甲虫的后翅在飞行碰撞过程中的减震功能，”Phan解释道。“在实验过程中，我意外地捕捉到了完整的两阶段机翼展开过程，我很好奇如果由活跃的肌肉驱动，为什么甲虫会采用如此复杂的程序。”

在之前对犀牛甲虫的研究中，潘观察到这些昆虫可以利用鞘翅和拍打的力量被动地展开后翅进行飞行。飞行结束后，它们会降落在地面上，然后利用鞘翅将后翅推回到身体上。这两种动作都是被动的，因为它们不需要使用支撑鸟类和蝙蝠飞行的胸肌。

“通过将这种被动机制应用到扑翼机器人中，我们首次证明，与现有的在完全伸展状态下保持机翼固定的扑翼机器人不同，我们的机器人可以在静止时沿着身体折叠机翼，并在起飞时被动展开机翼，保持稳定飞行。”潘说。

研究人员利用从犀牛甲虫研究中获得的知识，制造出一种重18克的微型拍打机器人。这种微型机器人比真正的甲虫大约两倍，可以被动地展开和收回翅膀。

“为了简单起见，我们在腋窝处安装了弹性肌腱，让机器人可以被动地闭合翅膀，”Phan说道。“通过激活拍打动作，机器人可以被动地展开翅膀起飞并保持稳定飞行。之后，通过在着陆后停止拍打，翅膀可以快速被动地缩回身体，而无需任何额外的执行器。”

Phan及其同事最近的研究揭示了甲虫展开和收缩后翅的机制是被动的，不依赖于肌肉运动。该研究随后提出了一种在微型机器人中复制这些机制的可行策略，从而增加了它们与昆虫的相似性。

“我们的折叠机翼机器人可用于狭小空间的搜索和救援任务，”潘说。“例如，它可以进入人类无法进入的倒塌建筑物。由于体型微小，机器人可以飞入狭窄的空间。当无法飞行时，机器人可以降落或栖息在任何表面上，然后切换到爬行等其他运动模式。”

值得注意的是，当该团队的微型机器人爬行时，它的翅膀会靠在身体上，这降低了翅膀受损的风险，同时也提高了机器人在狭窄空间内的机动性。一旦找到合适的起飞位置，机器人就可以再次展开翅膀并切换回飞行模式。

“我们的拍打机器人还可以帮助生物学家研究昆虫飞行的生物力学，并可以伪装成间谍昆虫来探索森林中真实昆虫的生活，而传统的旋翼无人机并不适用，”潘说。“此外，拍打机器人还可以用来进行工程研究，或者作为儿童的工程玩具，因为它的拍打频率低，非常安全，对人也很友好。”

到目前为止，Phan和他的同事已经在一系列初步测试中评估了他们的微型机器人的性能，并取得了令人鼓舞的结果。未来，他们的设计可以进一步改进，并在各种现实场景中进行测试，以进一步验证其潜力。

“在未来的研究中，探索其他昆虫(如小苍蝇)是否在肌肉有限的情况下使用类似的被动策略将会很有趣，”Phan补充道。“我们还旨在提高机器人的敏捷飞行能力，并实现与生物机器人类似的地面运动能力，如栖息和爬行。”