研究人员从水黾获得灵感研制出可在水面上快速移动的微型机器人

百科大全 2025年08月23日 15:10 1 admin

该研究团队从生物学中获得灵感，研制出一款名为Rhagobot的昆虫大小的机器人。

研究人员发现了水黾令人难以置信的速度和敏捷性背后隐藏的秘密。这些在水面上快速移动的水生昆虫用腿上独特的扇状附属物推动前行，此前科学家认为水黾是通过肌肉组织来驱动扇状附属物。研究显示，水黾扇状附属物的开合不需要肌肉组织提供能量。相反，这些扇状附属物可以像画笔一样被动地开合，其开合速度比眨眼快10倍。

该研究团队从生物学中获得灵感，研制出一款名为Rhagobot的昆虫大小的机器人。该研究团队的成员来自加利福尼亚大学伯克利分校、佐治亚理工学院和韩国亚洲大学。

带状扇状附属物的功能。水黾是一类独特的水生昆虫。这些毫米大小的微小昆虫用腿上特殊的扇状附属物实现在水面上快速转向和加速。

综合生物学家维克多•奥尔特加-希门尼斯对水黾在湍急水流上快速移动的能力很感兴趣，他认为这种能力与他研究过的其他水生昆虫不同。他的疑问 —— "它们是怎么做到的？" —— 促成了一项长达五年的合作研究。

研究显示，带状扇状附属物利用表面张力和弹性被动地变形，在保持速度和敏捷性的同时还能节省能量。奥尔特加-希门尼斯博士称："首次观察到分离的扇状附属物在接触水滴时几乎瞬间被动展开完全出乎意料。"

这种被动机制让水黾实现了生物力学上的二元性：高灵活性让水黾在收腿时扇状附属物可以折叠，高刚性让水黾在推进时扇状附属物可以提供推力。二者的结合让水黾可以实现急转弯，速度高达每秒120倍体长。有趣的是，这种敏捷性可以媲美飞蝇的快速移动。

昆虫大小的机器人。研制昆虫大小的机器人Rhagobot的最大挑战在于没有人知道水黾扇状附属物的微观结构设计。来自韩国亚洲大学的研究人员使用扫描电子显微镜捕捉高分辨率图像后，这一难题才得以解决，最终揭示了天然扇状附属物的微观结构。

金东振博士称，研究团队最初尝试制造圆柱状的扇状附属物，但是这一设计无法实现推进所需的必要刚性和折叠所需的灵活性。他们通过设计一种扁平带状扇状附属物解决了这一问题，后来这一设计在水黾天然扇状附属物上得到验证。

通过解码水黾天然推进系统的结构和功能，研究人员设计出一种1毫克重、可自动展开的弹性毛细扇状附属物。最新研制出的扇状附属物被集成在一个昆虫大小的机器人上。实验表明，与活体昆虫和其他机器人样机相比，这种微型机器人在推进、刹车和可操作性上性能更优越。

该研究的资深作者Je-sung Koh教授称："我们的机器人扇状附属物只需借助水的表面力和灵活的几何结构就能自动变形，就和天然扇状附属物一样。这是一种机械嵌入式智能，经过大自然数百万年的进化改良而来。"作者补充道："在小型机器人领域，这些高效而独特的机制将是克服传统机器人小型化局限性的关键促成技术。"

该研究为未来设计紧凑型半水生机器人奠定了基础。这些机器人可用于探索和导航具有挑战性的急流水域。该研究发表在《科学》期刊上。

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