近日，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 和韩国建国大学的研究人员最近开始研究食草昆虫犀牛甲虫如何展开和收缩翅膀。并开发出了一种新型扑翼微型机器人，该机器人可以被动地展开和收缩翅膀，而无需大量执行器。目前，研究成果已发表在《Nature》期刊上。洛桑联邦理工学院黄武潘为论文主要作者之一，研究领域主要覆盖仿生空中机器人、多模式运动、扑翼飞行、飞行生物力学等方面。

▍犀牛甲虫翅膀的展开机制分析

犀牛甲虫的翅膀展开过程分为两个阶段：鞘翅的完全释放和后翅基部的部分释放及拍打运动。在第一阶段，甲虫抬起鞘翅，后翅随之部分释放至约48.5°的角度，但此时后翅尖端仍处于折叠状态。这一过程并不依赖肌肉的直接驱动，而是预加载能量的释放触发的。当鞘翅抬起时，后翅像弹簧一样被释放，并经历一系列减小幅度的振荡，最终稳定在新的平衡位置。

第二阶段则涉及后翅的拍打运动。甲虫通过激活翅膀的拍打来进一步展开后翅，抬高基部并展开尖端，使后翅完全进入飞行状态。这一过程中，拍打产生的升力和离心力起到关键作用。研究发现，离心力是导致后翅基部被动抬高的主要驱动力，这一发现为理解昆虫飞行机制提供了新的视角。

犀牛甲虫拥有两对不同的翅膀：一对硬化的前翅（鞘翅）和一对膜状的后翅。鞘翅在休息时保护脆弱的后翅，而在飞行时则充当“启动器”，通过其抬起动作触发后翅的展开。这种设计不仅保护了后翅免受损伤，还巧妙地利用了物理原理实现了翅膀的自动展开，减少了肌肉活动的需求。

飞行结束后，犀牛甲虫通过鞘翅将后翅推回静止位置。这一过程同样不依赖肌肉的主动控制。实验观察表明，当鞘翅逐渐闭合时，它们会下压后翅，使其在70毫秒内完全折叠回腹部。如果没有鞘翅的帮助，后翅无法自行缩回，甚至甲虫会使用腿部来辅助完成这一动作。这些发现进一步支持了鞘翅在翅膀运动中的多功能性，它们不仅提供保护，还参与翅膀的展开和缩回过程。

▍以犀牛甲虫为原型开发扑翼机器人

黄武潘表示，通过观察犀牛甲虫飞行动作，团队制造出一种重18克的微型扑翼机器人。这种微型机器人比真正的甲虫大约两倍，可以被动地展开和收回翅膀。

传统的扑翼机器人大多采用固定翼设计，无法在飞行后自动折叠翅膀，一定程度上限制了它们在狭窄空间中的应用。

而团队开发的扑翼微型机器人能够在飞行过程中，拍打产生的离心力使翅膀自动抬高至飞行位置。

在着陆时，弹性肌腱则迅速将翅膀拉回折叠状态，这种设计不仅简化了机器人的控制系统，还降低了能量消耗和重量，使机器人更加高效和轻便。

实际测试结果显示，该扑翼机器人能够在无束缚条件下实现稳定的起飞、悬停和着陆。

即使在遇到障碍物导致机身翻滚的情况下，翅膀也能迅速缩回至机身上方，有效防止翅膀损坏。

▍结语与未来：

以犀牛甲虫为原型的扑翼机器人，为仿生机器人提供新的设计思路，黄武潘表示，在未来的研究中，探索其他昆虫（如小苍蝇）是否在肌肉有限的情况下使用类似的被动策略将会很有趣。未来研发人员将提升机器人的敏捷飞行能力，并实现与生物机器人类似的地面运动能力，如栖息和爬行等复杂动作。