科学家揭示自然界超快微型机器人的奥秘

自动展开的扇状结构增强界面运动能力

扇水黾（Rhagovelia）在水黾类昆虫中独树一帜，因为这些毫米级的半水生昆虫利用其推进腿上特化的扇状结构实现快速转向和爆发性加速。

“我在肯尼索州立大学担任博士后期间首次观察到这些波纹虫（ripple bugs），立刻被它们所吸引。”该研究的主要作者、现任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-希门尼斯此前研究过大型水黾科昆虫在不稳定水域中的跳跃性能，但扇水黾截然不同。“这些微小昆虫在湍急溪流表面高速滑行转向，宛如飞行的昆虫。它们是如何做到的？这个问题萦绕在我心头，最终通过五年多卓越的合作研究才得以解答。”

此前学界普遍认为这些扇状结构仅由肌肉驱动。然而，8月21日发表于《科学》期刊的一项研究揭示，扇水黾的扁平带状扇状结构可借助表面张力和弹性力被动变形，无需依赖肌肉能量。

“首次观察到离体扇状结构在接触水滴时几乎瞬间被动展开，这完全出乎意料。”奥尔特加-希门尼斯博士表示。

这种在收腿阶段可折叠、推进阶段保持刚性的独特组合，使扇水黾能在短短50毫秒内完成急转弯，并以高达每秒120体长的速度移动，堪比飞蝇的空中机动能力。

合作研究至关重要

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，向萨阿德·布拉姆拉（Saad Bhamla）博士介绍了扇水黾研究项目及初步发现。布拉姆拉博士对此产生浓厚兴趣并渴望深入探索。正是他邀请Je-Sung Koh（高济城）博士团队加入合作，为整合生物学、物理学和机器人技术开辟了新路径。

“我意识到一项真正的发现正隐藏在显而易见之处。科学常被视为孤独天才的竞技场，但这与事实相去甚远。现代科学的核心在于跨学科团队合作——充满好奇心的科学家们跨越国界与领域协同探索自然规律，并据此设计新型仿生机器。”布拉姆拉博士强调。

这项整合实验生物学、流体物理学与工程设计的多学科研究持续进行了五年多。

Rhagobot诞生：新一代水黾机器人

受波纹虫启发研制昆虫尺度机器人面临巨大挑战，核心难点在于扇状结构的微观设计原理尚未明晰。韩国亚洲大学的金东镇（Dongjin Kim）博士和高济城教授团队利用扫描电子显微镜获取扇状结构的高清图像后，终于破解了这一谜题。

“我们最初设计了多种圆柱状扇体，这源于对毛发形态的常规认知。但扇状结构的功能二重性——推进时保持刚性以产生推力，收腿时灵活折叠——无法通过圆柱结构实现。历经多次尝试，我们突破性地设计了扁平带状扇体。我们强烈怀疑生物扇体具有类似形态，最终证实扇水黾的扇状结构确实存在此前未被报道的扁平带状微结构。这一发现验证了人工扁平带状扇的设计原理。”亚洲大学博士后研究员、本研究共同第一作者金东镇博士解释道。

基于这些发现，团队解码了这种天然推进系统的结构基础与功能机制，并在机器人形态上成功复现。由此诞生了重量仅1毫克的弹性毛细作用扇，它能自主展开并集成于昆虫尺度机器人。实验验证表明，该微型机器人具备增强的推进力、制动能力和机动性，其性能通过活体昆虫与机器人原型对比得到确认。

“我们的机器人扇体仅利用水面作用力和柔性几何结构即可自主变形——与其生物原型完全一致。这是经过数百万年进化淬炼的机械嵌入式智能形式。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限制的关键使能技术。”本研究资深作者高济城教授指出。

该研究不仅建立了扇状微观结构与水生运动控制间的直接联系，更为未来设计能在高速流动等复杂水环境中作业的紧凑型半水生机器人奠定基础。

扇水黾的扇状结构在入水时快速折叠、出水时重新展开，展现出前所未有的生物力学二重性——快速展开所需的高柔性与推进所需的高刚性。这种二重性解决了小型水生机器人长期存在的技术瓶颈，如低效的收腿动作和有限的机动能力。

水面涡流与波纹的轨迹描绘

学界已知非扇型水黾（如水黾科昆虫）推进时，其超疏水腿足划水会产生特征性偶极涡流和毛细波。相比之下，扇型扇水黾每次划动都会产生独特而复杂的涡流特征，与空气中扑翼产生的尾流高度相似。

“仿佛扇水黾腿上附着微型翅膀，如同希腊神赫尔墨斯（Hermes）一般。”奥尔特加-希门尼斯博士比喻道，“未来需探究波纹虫能否在阻力推进之外，利用扇状结构产生类似基于升力的推力。”

这一可能性极具启发性，因有证据表明豉甲（whirligig beetles）和鸬鹚（cormorants）分别通过多毛腿足和蹼足产生流体升力以推动游泳。

除涡流外，扇水黾在腿部推进时还产生对称毛细波，这些波纹与身体前方形成的强烈艏波共同助力推进。

激流中的生存之道

天然溪流构成严峻挑战，尤其对栖息于界面的微小生物而言。仅米粒大小的波纹虫必须在高度动态、波浪汹涌的湍流中穿行，同时躲避天敌、捕食猎物并寻找配偶。这些昆虫日常承受的湍流强度远超人类乘机遭遇的气流颠簸。实验室24小时监测结果惊人地展现了它们的非凡耐力。

“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。溪流中的非稳态环境同样对设计能有效穿越此类不可预测水面的界面微型机器人构成重大挑战。

“设计微型机器人时必须考虑其运行环境的特殊性——本案即水面。通过巧妙利用环境特性，可极大提升机器人性能与效率。例如Rhagobot凭借由表面张力与水面阻力驱动的智能扇结构，能沿流动溪流快速行进。”高济城教授阐释道。

最终，这些发现将对仿生机器人领域产生广泛影响，特别是在环境监测系统、搜救微型机器人，以及能以昆虫般灵巧性穿越扰动水-气界面的装置研发方面。