大自然的“跳跃大师”：蓟马跳甲虫启发科学家发明了爆炸性推进系统。

当猫从高处坠落时，无论它的初始位置有多么变形，它总是四足着地。这种看似正常的现象早在19世纪就引起了麦克斯韦等物理学家的注意。对于生物体来说，极端动态过程中的“自主姿势控制”并不是一种华而不实的炫耀能力，而是与生存相关的基本能力。在Cirsium setosum的纠结草丛中，一种只有4毫米长的微小生物将这种能力发挥到了极致。这就是蓟马甲虫（Altica cirsicola）。对于重约 4 毫克的蓟马跳甲来说，准确落在复杂的植物迷宫中对其生存至关重要。而他的跳跃能力远远超过同龄人，毫不奇怪，他成为科学家解锁“动态控制”和“高效力生成”的关键。本文我们跟随中国科学院动物研究所葛斯琴团队、吴佳宁团队的研究中山大学团队与美国佐治亚理工学院David Hu教授团队合作，探索蓟马跳甲虫独特的跳跃方法，看看这种小甲虫如何为仿生机器人的设计带来新方向。紫锥菊，蓟马甲虫的寄主植物（图片来源：参考文献[3]） 跳转：小生命的“生存技巧”。对于人类来说，步行和跑步已经可以满足我们的大部分日常需求，但对于大多数昆虫来说，跳跃是应对风险的“很少必要的技能”。尤其对于蓟甲虫来说，跳跃不仅是决定生死的速度，更是快速穿越蓟草的能力。毕竟，在枝叶纠缠的迷宫中，跳跃可以比攀爬更快地帮助你找到食物并到达安全区域。来自中国科学院动物研究所的研究数据让这种“生存技巧”更加直观和有影响力。蓟马跳甲虫的一次跳跃消耗高达 9,500 微焦的能量，通过其腿部施加的力量是其体重的 233 倍。更令人印象深刻的是，从休息到离开地面的整个过程可以在30毫秒内完成。这个速度是人类瞬时的。它对应于他们可以完成 10 次跳跃。动作的速度似乎直接表达了歌词：“跳起来，闭上眼睛。”一对正在交配的跳蚤甲虫（图片来源：参考文献[3]） 在自然界中，跳跃的意义远远超出了“逃避”。新生瞪羚汤姆索尼向盐塔发出她“需要保护”的信号。弹涂鱼利用跳跃在泥滩和水体之间有效地来回移动，并平衡呼吸和觅食。昆虫跳融合了“姿势准确”、“姿势稳定”、“节能”三重智慧。显然，对于小生物来说，“快速运动”是生存的基本需要，而良好的跳跃能力ng技能是他们祖辈遗传下来的“绝学秘密”。解开跳跃之谜的进展：解开蓟马跳甲虫的三种跳跃模式人类对跳跃的理解经历了一个漫长的过程。 17世纪，伽利略首先通过斜面实验量化了运动定律。 19世纪，法国科学家马莱特用连续摄像机观察了猫下落时在空中的旋转情况。这些最初的探索促使人类提出这样的问题：“生物在运动过程中如何控制它们的姿势？”数百年后的今天，新一代科学家站在前人的肩膀上，使用日益复杂的工具，继续探索这个谜团。 Götsch 的团队利用高速摄像技术清晰地分析了蓟马跳甲虫的三种跳跃模式。 (1)无翼模式：仅依靠腿部力量完成跳跃，无需伸展后翅。昆虫的博dy在空中进行俯仰和旋转，但旋转能量仅占总动能的1.7%，对运动方向影响不大。作为一名专业体操运动员，即使在完成空翻后也可以准确地落在目标点上。 (2) 机翼伸展模式：起飞时，后机翼伸展，飞行器的动作与飞行时相同。它在空中的姿势非常稳定，没有晃动的现象，动作是“飞与跳”相结合。 (3)中级模式：前半段只用腿的力量跳跃，后翼不伸展。在跳跃的后半程中，他展开翅膀并拍打以稳定自己在空中的姿势。跳蚤甲虫在没有翅膀的 30 度斜坡上跳跃（图片来源：参考资料[3]） 乍一看，跳跃模式似乎会根据环境条件（斜坡的倾斜角度）而有所不同，但事实并非如此。这是两个独立的事件。参与实验的蓟甲虫有一半以上依赖于单一的跳跃模式，可谓“一招打天下”。此外，不同跳跃模式的成功率没有显着差异。更令人惊讶的是，展开翅膀并不会降低最大跳跃高度。这可能是因为机翼产生的升力被同时增加的阻力所补偿（参考文献[3]）。 c、d：50度坡度的中型跳跃。 e、f：带翅膀的东西在 90 度垂直平面内跳跃。 （图片来源：参考文献[3]）与猫的单次旋转不同，蓟甲虫在空中俯仰和滚动两到四次，但这些旋转的功能仍不清楚。多次旋转可以帮助调整腿部姿势或视觉跟踪目标，以更全面地观察着陆环境。说到猫，在力学教科书中，猫的旋转被解释为“结果，很快事实证明，无尾猫也能完成旋转，这一事实直接反驳了这一理论。更详细的计算分析表明，即使对于有尾巴的猫来说，这种机制也是极不合理的。在驾驶员完成转弯后约 0.5 秒，猫的尾巴必须向相反方向摆动数十次，才能保持总动量为零（参考文献[1]）。这显然令人难以置信。在自然界中的“跳跃之王”？ 跳蚤甲虫的三种跳跃模式截然不同，但它们构成了应对复杂环境时的生存策略。 那么，如果我们把视野放宽到整个自然界，这种策略适合什么地方呢？ 如果在自然界举办“跳跃锦标赛”，蓟甲虫可能不是“绝对的冠军”，但它绝对是“技术最全面的运动员”。评论指导了几位“种子选手”的表演。我们来看看曼斯：跳蚤：“绝对爆发力”的里安德：跳跃距离可以超过身体长度的100倍。猫跳蚤和人跳蚤的站立和跳跃高度都可以达到33厘米。人体比例身高1.7米的人可以跳1700米（要知道，目前人类站立跳远的世界纪录只有3.71米，而世界纪录则为1.7米）。跳远的距离只有8.95米），但“有得必有失”，与蓟马相比，“用更多的能量跳得更短”（参考文献[2]）。一般来说，跳蚤容易侵染，但效率不高，相比之下，蓟马跳甲则表现出进化的生存智慧。 Beetl 的精确性、节能性和稳定性。从ES到机器：仿生技术的灵感和进步向大自然学习一直是人类创新的主要灵感，从鸟翼到飞机翅膀，从蝙蝠回声定位到雷达系统，大自然的生存智慧始终照亮着技术进步的道路。蓟甲虫的跳跃模式也激发了新的想法。仿生跳跃机器人颇受欢迎，主要依靠弹簧和电机储能，前者需要较长时间“蓄力”，后者缺乏爆发力，难以平衡“快速反应”和“高效发力”。然而，Getsch 的团队利用蓟马跳甲虫作为生物模型，创新性地开发了一种爆炸推进系统。该系统使用99.5%纯丁烷和氧气的混合物作为“燃料”，并由火花塞立即点燃。它释放能量。这种能量释放方法模拟了蓟甲虫腿部的“瞬间力量”特性。这个设计全部使机器人的垂直跳跃高度达到20厘米，相当于其身体长度的1.67倍。这种“爆炸推进+仿生设计”的融合策略使机器人无需长期储能即可实现快速跳跃，为废墟救援、行星探索等复杂环境下的动态机器人运动提供了新的解决方案。跳跃机器人实验图（图片来源：参考文献[5]）“从清平尽头，轻波中起风，掀起波浪。”第一个由爆炸推动的跳跃机器人在仅20厘米的高度起飞，但人类已经用科学方法将生物的生存智慧转化为全新的技术。未来的某一天，当这些“钢甲虫”快速灵巧地飞过火星尘埃，在外星复杂地形中完成探测任务时，我们或许还记得，我们最初的灵感来自于那些在火星上生活的微小跳甲虫。夏天会吃蓟叶。他不仅教会了我们“如何跳跃”，还教会了我们如何想象在草丛中眺望浩瀚的天空。参考文献：[1]刘艳珠．猫自由落体的旋转运动[J].力学学报，1982(4)：388-393[2] 熊永刚，彭伟伟，熊凯旋，等。蚱蜢式仿生机器人腿部结构分析与设计[J/OL].科学技术与创新，2018（23）：1-5。 [3] 宗丽，吴健，杨鹏，等。跳蚤甲虫在倾斜平台上跳跃[J/OL]。比较生理学杂志A, 2023, 209(2): 253-263。 [4] Rothschild M、Schrein Y、Parker K 等人。飞蚤跳[J/OL]. 《科学美国人》，1973，229(5)：92-100。 DOI:10.1038/scientificamerican1173-92.[5]孙Z，张涛，宗L，等。甲虫图案的燃烧跳跃机器人[J/OL].仿生工程学报, 2025, 22(4): 1622-1636。出品：中国科普 作者：张颖超（生态学硕士） 出品：中国科普科普博览会
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