几个世纪以来，人们一直迷恋飞行。在15世纪，莱昂纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519年）就充分发挥了他作为艺术家，生物学家和工程师的技能，以根据鸟类和蝙蝠的解剖模型设计飞行器的设计草图。如今，多学科科学家已经从研究生物学原型到在新型仿生机器人上进行飞行性能测试，进行了系统的研究。

达·芬奇的机翼工程设计图

先前研究

以前的基于甲虫的微型飞行机器人已经使用了柔和的折纸结构，该结构是由瓢虫甲虫的机翼静脉激发的，以实现滑行和跳跃功能。微型无人机还带有可展开的机翼，其设计基于昆虫机翼的折纸状机制。在犀牛甲虫的后翼中，折纸状的折叠在飞行中碰撞时具有减震功能，而无需完全折叠。

那么，能否模仿犀牛甲虫的后翼，来把人类几百年的梦想进一步优化呢？

仿生再突破！

于此，韩国建国大学Hoon Cheol Park和Hoang Vu Phan等人受犀牛甲虫（Allomyrina dichotoma）的启发，利用生物学、机器人技术和一些艺术手段设计出一种新型的微型微型飞行器（micro air vehicle，MAV）。他们的MAV模仿了甲虫的后翅，它们具有折纸状的褶皱，可以使昆虫从飞行碰撞中恢复过来。成果发表在Science杂志上。

同期，吉林大学孙霁宇教授对该研究进行总结和展望。

观察甲虫如何抵御飞行中碰撞

研究人员使用高速多相机系统观察到，甲虫的翅膀由于拍打产生的空气动力而展开，然后锁定在适当位置以维持飞行。通过对甲虫以不同角度和位置在狭窄极间飞行的实验，作者定义了两种昆虫抵御飞行中碰撞的方法。

1）一种应对方法是，当障碍物撞到后翼的内部刚性部分时，则用它的腿栖息在障碍物上。

2）另一个应对方法是，如果障碍物碰到机翼的外部折叠部分，则继续飞行，当通过障碍物时，该部分会被动折叠并弹回原位。

图|甲虫利用机翼惯性效应拍打其后翅

图|甲虫可折叠的机翼在飞行中的机翼碰撞中恢复

构建仿生机器人

作者使用这种机制构建了一个甲虫启发的拍打机器人，该机器人可以在无需折叠机翼的情况下发生碰撞，从而实现了碰撞后的稳定飞行恢复。该发现和结果使我们更接近于自然存在的，在飞行机器人中可能应用的生物运动策略，该策略可以执行多种运动模式，这是生物启发型机器人技术的当前趋势。

图|机械翼可以被动折叠，并根据甲虫的后翼迅速展开

总结与展望

研究人员通过制造微型折叠机翼并将其集成到先前描述的小型拍打翼机器人中，验证了甲虫的设计原理。新的微型MAV展示了机翼的展开能力和对障碍物撞击机翼外部折叠部分的弹性。这种坚固性应该激发人们对这种空中机器人的机翼机制的研究兴趣。

开发可展开的MAV仍然面临挑战。展开不可避免地依赖于MAV机翼的抗疲劳性能，这与MAV的设计和使用直接相关。在自然界中，甲虫需要反复折叠的后翅上有节枝弹性蛋白（resilin），或者在碰撞过程中可以软化和折叠以避免损坏的关节。这些功能可以启发未来可展开MAV机翼的设计。对于扑翼飞行器来说，驾驶员、机载部件和扑翼动作产生的振动会造成不受控制的起飞和不稳定的自由飞行。甲虫可以通过在它们的后翅和关节中使用弹性生物材料来吸收振动产生的能量来解决这些问题。因此，研究人员可能会考虑将这些特性整合到带有可展开扑翼的微型飞行器中，以增加整体机翼强度和飞行稳定性。

未来的研究还应该集中于解决低雷诺数（惯性力与粘性力之比）的MAV的非定常空气动力学问题。然后，科学家可以研究制造技术，以实现MAV组件（例如机翼和机身）的小型化以及在不稳定空气动力学条件下的飞行控制。

编者语：

通过模仿自然界，人类的飞行梦早已实现。面对未来，我们人类有无限的遐想，从大型载人飞机的技术优化，再到小型甚至是微纳米级别的飞行器，每一小步的突破都有可能推动人类的进步。仿生未来，值得我们期待！

参考文献：

1. H. V. Phan, H. C. Park, Mechanisms of collision recovery in flying beetles and flapping-wing robots. Science 370, 1214 (2020)

DOI: 10.1126/science.abd3285

https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1214

2. Jiyu Sun. Miniaturization of robots that fly on beetles' wings. Science (2020).

DOI: 10.1126/science.abf1925

https://science.sciencemag.org/content/370/6521/1165