揭秘独角仙甲虫：振翅与收翼的奥秘

甲虫犀金龟俗称“独角仙”。它拥有两对翅膀——一对厚实的鞘翅，作为前翅；和一对薄膜状的、可以像折纸一样折叠的后翅。

甲虫拥有所有昆虫中最复杂的振翅和收翼机制。

北京时间7月31日晚，一项在线发表在国际学术杂志《自然》（Nature）上的最新研究，揭开了甲虫“独角仙”犀金龟的振翅和收翼之谜，并启发了人们如何改进扑翼机。

相比固定翼或旋翼飞行器，扑翼机具有飞行效率更高、隐蔽性强、机动性强、适应性强等优点。扑翼机的机翼能像鸟或昆虫的翅膀那样上下扑动，进行适时调整。

过去十年中，科学家们开发出模仿昆虫的多种扑翼机器人，但是，它们都无法像昆虫一样收翼——在碰撞或休息时，收起柔软而强韧的翅膀。这些机器人都使用完全伸展的扑翼。

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振翅的甲虫。(00:11)

来自瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员黄武潘（Hoang-Vu Phan）及其同事通过高速摄像机，拍摄犀金龟振翅和收翼过程，并进行分析。

他们将最新的发现应用在微型扑翼机的设计上，实现了100毫秒内快速关闭其机翼，同时允许其在各种频率下在一个拍打周期内释放机翼。

Hoang-Vu Phan向澎湃科技介绍，这种微小的扑翼机器人可用于人类无法进入的狭小空间，例如在倒塌建筑物中执行搜救任务。在这种情况下，扑翼机器人可以在飞行后将脆弱的翅膀折叠存放在身体上，便于在狭窄的空间中移动，也降低了损坏的风险。它也可以帮助生物学家研究昆虫的飞行力学，探索森林中昆虫的野生行为。这是传统旋翼无人机无法实现的。

可以快速关闭机翼的微型扑翼机。

鸟类和蝙蝠因为拥有发达的胸肌等飞翔肌肉，能够在飞翔时伸展翼、翅，而在休息时，收起翼、翅，使之贴附身体。昆虫虽然也能这样振翅、收翼，但其细节机制一直是个谜。

甲虫飞行时，需要先举起鞘翅，再展开相对“庞大”的后翅，并主要靠扇动后翅，来提供飞行动力，实现腾空、悬停等飞翔动作。停下来时，它的一对后翅能够折叠，藏在鞘翅底下。

Hoang-Vu Phan及其同事发现，甲虫展开翅膀需要经过两个过程，其中，其后翅动作的完成不需要肌肉控制。

他们发现，甲虫后翅的释放、展开是被动的，其折叠收起也是被动的。在没有鞘翅的情况下，其后翅会保持抬升状态。因此，在第一阶段，当甲虫打开鞘翅，它的后翅就会像弹簧一样，部分弹开，表现出欠阻尼弹簧-质量系统的特征。

研究人员发现，甲虫的后翅只有在开始拍打时才会展开。也就是说，在第二阶段，甲虫拍打后翅的同时，后翅基部提升，翼尖展开，进入飞行状态。

而甲虫收起后翅，需要鞘翅的推动，用一个前缘推动另一前缘。为了验证这一点，Hoang-Vu Phan及其同事将甲虫的一个鞘翅去掉，发现甲虫在没有鞘翅的情况下无法缩回后翅。

此前，人们对于甲虫的后翅如何提升到飞行位置，并重新恢复折叠的机制仍然知之甚少。有研究认为，甲虫的胸部肌肉驱动了其后翅基部运动，但缺乏支持这一理论的实验证据。而最新发表的研究证据显示，其后翅的释放与鞘翅有关，其折叠由鞘翅驱动。

受到前述观察结果的启发，Hoang-Vu Phan等研究人员制作了一个模仿甲虫翅膀被动展开与缩回的微型机器人，机器人成功地起飞并维持了飞行。

Hoang-Vu Phan在接受澎湃科技采访中表示，该微型机器人机翼的“腋窝”处配备了弹性腱，替代甲虫的鞘翅，以促进其在100毫秒内快速关闭机翼。这不仅使机器人更像昆虫，而且让它们可以在起飞时被动展开翅膀，稳定地悬停，并在着陆时或飞行中发生碰撞时快速收翼，而无需额外的装置。