科学家受水黾启发研发超高速微型机器人
水黾能轻松实现“水上漂”，而且动作十分敏捷，其独特的扇状推进器使其能在急流中滑行：这些推进器能自如开合，速度比眨眼快十倍。由美国加州大学伯克利分校、佐治亚理工学院与韩国亚洲大学组成的研究团队受此生物创新启发，团队开发出昆虫尺度机器人，并采用工程化自变形扇叶模拟水黾昆虫的敏捷运动。这项研究揭示了自然选择塑造的生物适应性形态与功能，如何在不增加能耗的前提下提升水黾与仿生机器人的运动能力及耐力。近日，相关研究发表于《科学》。
“我首次看到水黾，就被深深吸引。”该论文主要作者、现美国加州大学伯克利分校教授Victor Ortega-Jimenez表示，“这些微小昆虫在湍急溪流表面高速滑行转向，宛如飞行昆虫。它们如何做到？这个问题萦绕我心，通过五年的国际合作才找到答案。”
展示扇状结构的水黾。图源：Ortega-Jimenez
传统观点认为这些扇叶仅靠肌肉驱动。但这项研究发现，水黾的扁平缎带状扇叶其实能利用表面张力与弹力被动变形，无需肌肉供能。这种收腿时的折叠性与推进时的刚性相结合，使昆虫能在50毫秒内急转弯，速度高达每秒120个身长，堪比飞蝇的空中机动能力。
制造昆虫尺度的水黾仿生机器人面临重大挑战，尤其是扇叶微结构设计。亚洲大学团队通过扫描电子显微镜获得高分辨率扇叶图像，最终解开谜题。
“我们最初设计了各种圆柱形扇叶，但无法同时实现推力所需的刚性与折叠所需的柔性。经历多次失败后，我们开发出扁平缎带状扇叶。后来发现水黾的扇叶正是这种未被报道过的微结构，这验证了我们的设计理念。”该研究共同第一作者、亚洲大学博士后Dongjin Kim解释道。
基于这些发现，团队解码了自然推进系统的结构与功能，并成功研发出机器人。最终研制出1毫克重的弹性毛细自展开扇叶，并将其集成至昆虫尺度机器人。通过活体昆虫与机器人原型对比实验，验证了其在推力、制动和机动性方面的提升。
“我们的机器人扇叶与生物原型完全一致。在微型机器人领域，此类高效独特机制将是突破传统机器人小型化限制的关键技术。”亚洲大学教授Je-sung Koh表示。
这项研究不仅建立了扇叶微结构与水生运动控制的直接关联，更是对仿生机器人领域具有广泛意义，特别是在环境监测微型设备、微型搜救机器人和水陆两栖机器人研发方面提供重要参考。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adv2792
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