水上漫步昆虫的“神奇”能力可以激发新的水生机器人

西雅图——许多昆虫可以在水面上飞镖，依靠液体的表面张力来支撑它们微小的透明身体的重量。现在，两个团队独立地发现了最敏捷的物种——涟漪虫——和最快的物种——旋风虫——如何在波涛汹涌的水面上昂首阔步的关键细节。这些分析可能会导致微型水生机器人的进步。

尽管这两种昆虫的涉水能力现在“被水面的物理学完美地解释，但无论如何，它们似乎都很神奇，”布朗大学的功能形态学家伊丽莎白·布雷纳德（Elizabeth Brainerd）说，她没有参与这项新工作。芝加哥洛约拉大学（Loyola University Chicago）的发育生物学家托马斯·桑格（Thomas Sanger）指出，这些进展可能有助于使水生机器人更加通用和可靠。“大自然已经解决了工程师遇到的许多挑战，”他说。

生物学家和物理学家长期以来一直在研究水上行走的昆虫，并且已经帮助工程师制造了可以从水面跳跃的机器人。然而，物种利用不同的物理效应来四处走动，因此，了解这些水生生物的适应性所做的工作越多，工程师在设计中必须利用的信缅因大学（University of Maine）的综合生物学家维克多·奥尔特加·希门尼斯（Víctor Ortega Jiménez）开始了解Rhagovelia水蛾或涟漪虫如何在水中活动，因为当他第一次在佐治亚州的一条河中看到它们时，“在我看来，它们正在飞行，”他回忆道。他说，当这些虫子在水面上来回飞奔时，它们就像狩猎中的蝙蝠和鸟类，这是一项令人印象深刻的壮举，因为在水面上急转弯比在空中急转弯要困难得多。其他人注意到这些芝麻大小的昆虫在它们的中腿尖端有扇子，并推测，利用它们腿上的肌肉，涟漪虫打开和关闭扇子以帮助自己急转弯。为了验证这个想法，奥尔特加·希门尼斯收集了大约150只昆虫，并在实验室的不同条件下拍摄了它们。

果不其然，当他和他的同事们拆下风扇时，水上漫步者无法快速移动或急转弯。此外，在空气中，风扇的股线像画笔中的刷毛一样挂在一起。然而，在水中，它们会分开。使用高速摄像机，研究小组发现，当涟漪虫转弯时，它会将风扇散布在身体一侧的腿上，从而增加对它们的阻力，而另一侧的腿继续更自由地滑动，将虫子拉到转弯处。风扇在不到 10 毫秒的时间内传播开来——大约是眨眼的五倍——使涟漪虫能够在不到 50 毫秒的时间内旋转 180°。

然而，一个谜仍然存在。令人惊讶的是，涟漪虫可以连续数月不停地曲折，这让奥尔特加·希门尼斯想知道它们如何有能量来维持这种疯狂的活动。事实证明，只需要很少的能量。令奥尔特加·希门尼斯惊讶的是，当他把死去的跨步者放入水中时，他们的扇子仍然打开，因为他们的腿浸入水面以下，不需要肌肉。因此，要转弯，涟漪虫只需要稍微倾斜它的身体，淹没风扇并增加一侧的阻力，他上周在综合和比较生物学学会年会上报告说。

“这是一项非常好的工作，”康奈尔大学（Cornell University）的物理学家桑尼·荣格（Sunny Jung）说。即便如此，在机器人中重新制造风扇可能是一个挑战，因为风扇的“头发”需要有足够的弹性，以便在淹没时分开，但不能太松软。

尽管如此，亚洲大学的机械工程师金东进与奥尔特加·希门尼斯（Ortega Jiménez）合作，建造了一个“Rhago机器人”，它使用风扇像真正的昆虫一样快速转动，至少在平静的水中是这样。该机器人显示“我们可以从大自然中获得一些知识，”哈佛大学生物力学专家Elio Challita说。

在一项类似的研究中，康奈尔大学的工程师克里斯·罗（Chris Roh）对被称为旋风的快速、一角硬币大小的甲虫更感兴趣。它们像小划艇一样漂浮在水面上，用腿像桨一样，每秒可以行驶 100 个体长，这大大超过了奥运级游泳运动员的能力，后者能够以每秒约 3.5 个体长的速度推进自己。长期以来，研究人员一直认为，为了获得这样的速度，这种昆虫只需在水中向后拉腿即可。然而，当卢武铉和他的研究生Yukun Sung在自由游泳的旋风上训练摄像机时，他们意识到旋风的身体相对于水面向前移动的速度比它的腿向后移动的速度快，如果阻力是唯一的力，这是不可能的。

通过仔细分析腿部相对于身体的运动方式，研究人员意识到腿部不是在水中直接向后拉，而是向下移动并穿过身体。他们今天在《当代生物学》上报道说，这种在水中的侧向运动似乎会产生一种垂直于腿部运动或升力的力，就像直升机叶片在空中旋转产生的力一样。Roh 说，升力的额外推动力有助于解释旋转的惊人速度。

“这是一个有趣的提议，”奥尔特加·希门尼斯说，他指出，涟漪虫在产生称为漩涡的水漩涡时会做类似的事情，这些漩涡会从它们移动的腿上旋转。但是，“要真正证明旋风甲虫是否在使用升力，有必要深入研究流体动力学”，而不仅仅是跟踪它们腿部的运动，他警告说。

最终，这些研究可能会帮助工程师制造更坚固、更可靠的机器人，Friday Harbor Laboratories的生物力学家Adam Summers说。“下一代机器人需要更具弹性，能够应对不规则的地形、不断变化的表面和快速变化的运动轨迹。”