大家是不是都疊過紙飛機?
在自然界,有很多動植物也會玩摺疊,比如昆蟲綱鞘翅目的甲蟲,它們的翅膀大多數分為前翅和後翅,前翅為鞘翅,不能用來飛行,但比較堅硬,通常覆蓋身體的一部分並保護後翅,後翅可以摺疊收放在前翅下面。
鞘翅目甲蟲數量眾多,超過全動物界其他所有目的總和,除了在海洋和極地,任何環境都可以發現甲蟲,比如我們熟悉的金龜子、天牛、瓢蟲、隱翅蟲等...還有屎殼郎。
隱翅蟲收翅
正在展開後翅的屎殼郎
如果加以細分,你會發現,昆蟲們的摺疊收翅方式是分不同門派的,像下圖中展示的那樣,摺疊率和複雜程度依次遞增,頂級選手是來自昆蟲綱革翅目的蠼螋(qú sōu,俗稱「耳夾子蟲」,Earwig):
馬蜂 - 縱向摺疊
螞蚱 - 扇形摺疊
隱翅蟲 - 橫向摺疊
蠼螋 - 組合式摺疊
昆蟲摺疊收翅的「四大門派」
蠼螋前翅(小,革質)與後翅(大,膜質)
蠼螋前翅為很小的革翅,後翅完全展開則非常大,摺疊後要全部收放到前翅「小馬甲」下,需要極大的摺疊率。
蠼螋後翅完全展開
蠼螋展翅過程
蠼螋組合式摺疊收翅的摺疊順序是扇形摺疊→橫向摺疊→縱向摺疊;研究表明,蠼螋進化出巧妙的鎖能結構,使膜翼展開後能夠自穩定,並保持足夠的抗彎剛度,便於撲翼飛行。
蠼螋膜翼鎖能結構
蠼螋組合式摺疊收翅Abaqus模擬(ETH)
隱翅蟲橫向摺疊收翅Abaqus模擬
像昆蟲一樣,人類對摺疊的追求也是與生俱來的,這種對有限空間的依賴與不安似乎從蜷縮在子宮時就刻畫在腦海,我們疊飛機小船,以摺疊為樂,還設計出摺疊桌椅、翻蓋手機、甚至還要摺疊屏幕。
如何最高效的利用有限的空間,在航天領域更為重要,例如,日本採用三浦摺疊部署衛星的大型太陽能電池板,然後在太空中展開;NASA噴氣推進實驗室在摺紙專家Robert Lang的幫助下設計出高摺疊率的太陽能電池陣列。
三浦摺疊Abaqus模擬
高摺疊率太陽能電池陣列(NASA/JPL)
衛星太陽能電池板摺疊
衛星太陽能電池板展開
參考資料:
Wikipedia詞條
A Drone with Insect-Inspired Folding Wings
Bioinspired spring origami
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