瓢虫如何折叠它的巨大翅膀

由:阿曼达洋葱

一只七星瓢虫(七星瓢虫)展示了它翅膀系统的工程奇迹。Auscape/UIG通过Getty Images"width=
一只七星瓢虫(七星瓢虫)展示了它翅膀系统的工程奇迹。Auscape/UIG通过Getty Images

展开一个是一回事折纸迷惑,然后试着重新折叠它——快速且不需要任何手指。

这就是瓢虫在飞行后每次安顿下来时所做的。这种甲虫能在瞬间从会飞的甲虫变成会走的甲虫,反之亦然,这种能力使它能够进入广泛的栖息地。

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研究已经表明,瓢虫和其他甲虫依靠翅膀静脉的弹性和液压机制来拍打后翅,这是什么四次瓢虫本身的大小。

东京大学工业科学研究所的Kazuya Saito为了弄清楚瓢虫在飞行后是如何快速地把所有东西折叠并塞回它小小的穹顶壳里的,东京大学工业科学研究所的Kazuya Saito用一个人造的,透明版,由人造指甲所用的树脂制成。

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研究人员将一个透明的人工前翅或鞘翅移植到七星瓢虫(左图)上,以详细观察其折叠翅膀的过程。人造翅膀是由紫外线固化树脂和结构…
2017年Kazuya斋藤

然后,齐藤和他的团队设置了高速摄像机,以检查其展开和折叠的过程。这一发现可能会启发新的飞行机器人、太空太阳能电池板甚至雨伞的工程设计PNAS杂志,由美国国家科学院(National Academy of Sciences)出版。

他们发现瓢虫设计的一个关键元素是其翅膀静脉的弯曲形状,这是木匠的金属卷尺的特点。

斋藤说:“这种结构被称为磁带弹簧或凸带,并已广泛应用于空间展开结构,如扩展臂和卫星天线。”他说,事实证明,“瓢虫使用相同的结构已经超过一亿年了。”

磁带弹簧设计提供了一个坚固的结构,当延伸,但也稳定一旦弯曲和存储在紧凑的形式。就像木匠可以很容易地把卷尺压进去卷起来一样,瓢虫可以先关闭它的鞘翅,然后用壳的边缘压下它的后翅,然后把它的后翅折起来。你可以在这个视频中看到动作的顺序:

这种运动由瓢虫腹部的轻推提供动力,触发后翅的折痕网折叠。瓢虫的壳与翅膀的折痕的曲线排列进一步帮助它干净而迅速地收起后翅。

斋藤说,他对这种昆虫折叠机制的简单性印象深刻。

“瓢虫有效地利用结构的灵活性和弹性行为来实现复杂的转换,”他说。

在微型计算机断层扫描(CT)的帮助下,斋藤的团队进一步概述了瓢虫用来储存翅膀的复杂褶皱。这种设计的特点是中间有一个菱形,图案的复杂性可能会让最熟练的折纸大师感到困惑。

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研究人员使用微ct扫描来获取瓢虫展开(左)和折叠翅膀的图像
2017年Kazuya斋藤

爱荷华州立大学(Iowa State University)的昆虫学家和瓢虫专家马修·奥尼尔(Matthew O'Neal)称,用透明的前翅代替瓢虫前翅的想法是理解其隐藏的折叠秘密的“新颖”方法。

“昆虫最酷的地方在于它们已经存在了数百万年,”奥尼尔说。“所以当你看到这种类似折纸的机制时,你看到的是数百万年努力得到解决的结果。”

奥尼尔和齐藤设想了人类可以从瓢虫的方法中借鉴的多种方式。奥尼尔解释说,瓢虫在步行者和飞行者之间快速转换的能力,为它作为捕食者提供了一个关键优势(大多数瓢虫在植物之间飞行,然后寻找小昆虫,如蚜虫)。他说,借鉴瓢虫的技术可以帮助设计无人驾驶飞机无人机(uav)等。

奥尼尔说:“机器人可以飞到目的地,然后迅速收起翅膀进行探索,这真的很酷,也很有用。”

斋藤认为瓢虫可以启发卫星天线和微型医疗器械操作方式的新设计。他还认为,利用瓢虫的机制,我们可以发明一种我们很多人在潮湿大风天都希望得到的东西:防风伞。

“通常,折叠式雨伞的框架有很多接头,很容易断裂,”齐藤说。“‘瓢虫雨伞’可以由无缝的柔性框架制成,即使在强风中也不会被摧毁,并且可以利用储存的弹性能量迅速展开。”

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