瓢蟲怎麼摺疊巨大的翅膀

2021-01-09 V三石頭

展開翅膀是比較容易的事,但是不用手重新摺疊上就是比較困難的事。這就是瓢蟲每次飛行後停下來要處理的事情。

甲蟲能夠在不到1秒鐘的時間內從飛行狀態轉變為行走狀態,反之亦然,從而使其能夠進入更廣泛的棲息環境。研究表明,瓢蟲和其他甲蟲依靠其彈性和翼狀靜脈中的液壓機制來拍打其後翅,後者的大小是瓢蟲本身的四倍。

瓢蟲

為了弄清瓢蟲在飛行後如何迅速將所有東西摺疊並塞入其圓頂狀小殼中,東京工業大學研究所的齋藤一也更換了瓢蟲圓頂小殼前叉的三分之二,更換材料為人工透明的樹脂製成,跟人造指甲的樹脂一樣。

然後,齋藤一也和他的團隊安裝了高速攝像頭,以檢查瓢蟲的展開和摺疊過程。這項研究可能會啟發飛行機器人的研製、空間受限的太陽能電池板的研發或者雨傘的新工程設計,並於5月在美國國家科學院出版的《 PNAS》雜誌上發表。

他們發現瓢蟲設計的關鍵要素是其翼脈的彎曲形狀-類似的結構可以在木匠的金屬捲尺中可以找到。齋藤說:「這種結構被稱為帶狀彈簧或凸形帶,並已廣泛用於空間可展開結構,例如衛星的伸縮臂和天線」。 他說,事實證明,「瓢蟲使用這種結構已有一億多年的歷史了」。

帶狀彈簧設計在伸出時可提供牢固的結構,但一旦彎曲並以緊湊的形式存放,也將保持穩定。類似於木匠通過捲尺拉出和收入的方式。

瓢蟲可以通過先合閉外殼並使用殼體的邊緣向下壓後翼而使其摺疊。

該運動由瓢蟲腹部的微動驅動,觸發了形成摺痕的翅膀使後翼摺疊。瓢蟲的外殼與其翅膀的摺痕彎曲成一條直線,進一步有助於其後翅膀的清潔和快速折入。

齋藤說,昆蟲的摺疊機制的簡單性給他留下了深刻的印象。他說:「瓢蟲有效地利用了結構中的柔韌性和彈性行為來實現複雜的轉換」。藉助於微型計算機斷層掃描(CT)掃描,齋藤的團隊進一步介紹了瓢蟲用來存儲翅膀的複雜褶皺。設計的中心是菱形形狀,即使是最熟練的摺紙大師,圖案的複雜性也可能使他們感到困惑。

愛荷華州立大學的昆蟲學家和甲蟲瓢蟲專家馬修·奧尼爾稱用透明版本代替瓢蟲的前爪的想法是一種「新穎」的方法,可以理解其隱藏的摺疊秘密。奧尼爾說:「昆蟲的奇妙之處在於它們已經存在了數百萬年。因此,當您看到類似摺紙的機制時,您將看到數百萬年來努力尋求解決方案的結果」。

奧尼爾和齋藤設想了人類可以從瓢蟲的方法中借用的多種方法。奧尼爾解釋說,瓢蟲具有在助行器和飛行物之間快速轉換的能力,這使其具有作為捕食者的主要優勢(大多數瓢蟲從一種植物飛到另一種植物,然後覓食小昆蟲,例如蚜蟲)。他說,借鑑瓢蟲的技術可以幫助設計無人機和無人駕駛飛機。

奧尼爾說:「擁有一個可以飛到目的地然後迅速拉動翅膀進行探索的機器人真的很酷而且非常實用」。

齋藤認為瓢蟲可能會激發衛星天線和微觀醫療儀器操作方式的新設計,他還認為,可以利用瓢蟲的機制來發明我們想要的東西:防風傘。齋藤說:「通常可摺疊雨傘的框架有許多易於折斷。瓢蟲傘可以用無縫的柔性框架製成,即使在強風中也不會被破壞,並且可以通過帶有存儲記憶的彈性材料」。

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