科学家揭示自然界超高速微型机器人的奥秘

自动风扇结构增强界面运动

波纹黾属（Rhagovelia）水黾在水黾中独一无二，因为这些毫米级的半水生昆虫利用其推进腿上特化的扇形结构实现快速转向和爆发性加速。

"疫情期间在肯尼索州立大学担任博士后时，我第一次见到涟漪虫就被深深吸引。"该研究的主要作者、现任职于加州大学伯克利分校的综合生物学家维克多·奥尔特加-希门尼斯（Victor Ortega-Jimenez）说道。奥尔特加-希门尼斯此前曾研究过不稳水体中大型黾蝽科水黾的跳跃性能，但波纹黾则截然不同。"这些微小昆虫在湍急溪流表面快速滑行转向，动作宛如飞行昆虫。它们如何做到的？这个疑问萦绕心头，我们历时五年多的卓越合作研究才找到答案。"

此前学界认为这些扇形结构仅由肌肉驱动。然而，《科学》期刊8月21日发表的研究表明，波纹黾的扁平带状扇形结构可利用表面张力和弹力被动变形，无需依赖肌肉能量。

"首次观察到分离的扇形结构在接触水滴瞬间几乎立即被动展开，这完全出乎意料。"奥尔特加-希门尼斯博士表示。

这种在腿部复位时的可折叠性与推进时的刚性卓越结合，使昆虫能在短短50毫秒内完成急转弯，速度高达每秒120个身长，堪比飞蝇的空中机动能力。

协作是关键

2020年奥尔特加-希门尼斯博士离开肯尼索州立大学加入佐治亚理工学院后，向萨德·巴姆拉（Saad Bhamla）博士介绍了波纹黾研究项目及初步观察结果。巴姆拉博士对此产生浓厚兴趣并渴望深入探索。正是他将Je-Sung Koh博士团队引入合作，为项目整合生物学、物理学和机器人学开辟了新路径。

"我发现了一个隐藏于眼前的重大发现。人们常将科学视为孤独天才的竞技，但这与事实相去甚远。现代科学本质上是跨学科团队合作——充满好奇心的科学家们跨越国界与学科壁垒，共同探索自然并设计新型仿生机器。"巴姆拉博士强调。

这项融合实验生物学、流体物理学与工程设计的多学科合作持续五年有余。

Rhagobot诞生：新一代水黾机器人

研制受涟漪虫启发的昆虫级机器人面临重大挑战，尤因扇形结构的微观设计原理尚未破解。转机出现在韩国亚洲大学的金东镇（Dongjin Kim）博士与Je-Sung Koh教授利用扫描电子显微镜获取高清扇形结构图像后，他们成功解开了这个谜题。

"我们最初设计了多种圆柱形扇叶结构，这通常符合人们对毛发的认知。但圆柱结构无法实现扇叶的功能二重性——推进时保持刚性产生推力，复位时灵活可折叠。历经多次尝试，我们通过设计扁平带状扇叶攻克难题。我们强烈怀疑生物扇叶具有类似形态，最终证实波纹黾扇形结构确呈扁平带状微构型，此发现此前未见报道。这进一步验证了我们人造扁平带状扇的设计原理。"该研究主要作者、亚洲大学博士后研究员金东镇博士解释道。

基于这些见解，团队成功破译了这种天然推进系统的结构基础与功能机制，并将其复现于机器人形态。由此诞生了一款重1毫克的自展开弹性毛细薄膜扇，集成于昆虫级机器人。经活体昆虫与机器人原型对比实验验证，该微型机器人具备增强的推进力、制动能力及机动性。

"我们的机器人扇叶仅利用水面作用力与柔性几何结构即可自主变形——正如其生物原型。这种机械嵌入式智能是自然界百万年进化的精粹。在微型机器人领域，此类高效独特机制将成为突破传统机器人小型化瓶颈的关键使能技术。"该研究的资深作者Je-Sung Koh教授指出。

该研究不仅建立了扇叶微结构与水生运动控制的直接关联，更为未来设计能在湍急水流等复杂环境中探测水面的紧凑型半水生机器人奠定基础。

涟漪虫扇叶结构在入水时快速收折、出水时即刻展开，展现出前所未有的生物力学二重性——快速展开的高柔性与推进时的高刚性。这种特性解决了小型水生机器人领域长期存在的瓶颈，如低效复位运动和有限机动能力。

水面涡流与波纹图谱

众所周知，推进过程中，无扇水黾（如黾蝽科物种）用超疏水腿划水时产生特征性偶极涡流和毛细波。而带扇波纹黾每次划动会产生独特复杂的涡流特征，酷似空气中扑翼产生的尾流。

"仿佛波纹黾腿上附着了微型翅膀，如同希腊神赫尔墨斯。"奥尔特加-希门尼斯博士比喻道，"未来研究需验证涟漪虫能否在阻力推进之外，利用扇状结构类似地产生升力推进。"

这一可能性极具吸引力，因有证据表明鼓甲虫和鸬鹚分别通过多毛腿和蹼足产生流体动力升力用于游泳推进。

除涡流外，波纹黾腿部推进时还产生对称毛细波，结合身体前端形成的强力弓形波共同促进推力生成。

激流中的生存

天然溪流构成严峻挑战，尤其对生存运动于界面的微小生物而言。仅米粒大小的涟漪虫必须在高度动态、波浪汹涌的湍流中穿行，同时躲避天敌、捕食猎物、寻找配偶。这些昆虫日常承受的相对湍流强度远超人类飞机颠簸的体验。令人惊讶的是，实验室24小时观测揭示了它们非凡的耐力。

"它们几乎终生昼夜不停地划行，仅在蜕皮、交配或进食时暂停。"奥尔特加-希门尼斯描述道。溪流中的这种非稳态环境对设计能有效穿越不可预测水面的界面微型机器人同样构成严峻挑战。

"设计微型机器人时，必须考量其运行环境特性——当前案例即为水面。巧妙利用环境特性可大幅提升机器人性能与效率。例如Rhagobot凭借智能扇叶结构，借助表面张力与水面阻力即可沿流动溪流快速行进。"Je-Sung Koh阐述道。

最终，这些发现将为仿生机器人领域带来广泛影响，特别是在开发环境监测系统、搜救微型机器人，以及能在扰动水-气界面实现类昆虫敏捷运动的装置方面。