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小小昆虫,将翅膀折叠玩出“新高度”!“折叠技术”居然解决了航天难题
日期:2023-12-07   [复制链接]
责任编辑:sy_huamengqi 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
昆虫对翅膀的折叠非常普遍。比如常见的瓢虫,作为一种典型的鞘翅目甲虫,它们的翅膀大多数分为前翅和后翅,前翅为鞘翅,不能用来飞行,但比较坚硬,通常覆盖身体的一部分并保护后翅,后翅可以折叠收放在前翅下面。如果加以细分的话,昆虫们的折叠收翅方式是分不同门派的,比如纵向折叠的马蜂、扇形折叠的蚂蚱、横向折叠的隐翅虫,等等。

当中堪称“折叠大师”的,便是俗称“耳夹子虫”的蠼螋了。蠼螋前翅为很小的革翅,后翅完全展开时则非常大,折叠后可全部收放到前翅“小马甲”下,这需要极大的折叠率。蠼螋的翅膀是所有昆虫中折叠起来最紧凑的,只有展开状态的1/15左右,为相当复杂的组合式折叠。就连太空中人造卫星的光伏电池板设计都要借鉴它们的“思路”。

小小昆虫,将翅膀玩出“新高度”

折纸是每个小朋友都喜爱的游戏,儿时的纸飞机是很多人的童年回忆。其实在自然界,很多动植物也擅长折叠项目,有些昆虫更是将翅膀折叠玩出了“新高度”。

对昆虫来说,翅膀确实是个便利的结构,让它们能有更广阔的活动空间。但有时候翅膀也会成为累赘,在不飞行的时候,硕大的翅膀很容易暴露自己,因此很多昆虫都会把翅膀“藏”起来。

蠼螋和隐翅虫长得很像,但它属于革翅目昆虫,它俩最大的区别就是螺嫂有属铁(属巴上的大夹子),可以快速抓住猎物,雄性尾部夹子会更大更显著。所以你这么大个头儿,并不是它的猎物……蠼螋对人无害,平时取食一些植物,还可以帮人捉捉其他害虫。蠼螋的后翅要比前翅大得多,平常像扇子一样折叠在前翅里面,现在一些卫星上的太阳能板就借鉴了这种结构。

高度紧凑的后翅使蠼螋得以在不飞翔时将其紧紧地包覆于前翅之下,从而放心地在土壤中活动而不会损坏它们,同时也能灵活地随意反翘腹部,挥舞它的大钳子武器。当它需要飞行时,机翼会以单一关节运动展开,并且在飞行时不需要任何肌肉活动来稳定它,收回时也同样不必借助任何肌肉力量的驱动。如此节能高效的方式对科研人员颇具吸引力。

日本九州大学艺术工学研究院的齐藤一哉讲师与英国牛津大学自然博物馆的研究人员合作,发现蠼螋翅膀的复杂折叠模式可以通过非常简单的几何学规则绘制。他们的研究表明,蠼螋所采用的组合式折叠收翅方式,其折叠顺序是扇形折叠、横向折叠、纵向折叠。此外,蠼螋还演化出了巧妙的结构,使得膜翼在折叠状态和伸展状态下均可保持锁定状态,而且膜翼具有足够的抗弯刚度,便于扑翼飞行。

拥有折纸“天赋”,翅膀结构是关键

实际上,蠼螋在“折纸”这件事上拥有极高的天赋,是由它翅膀的结构决定的。它们的翅膀由翅脉和翅膜组成,翅脉上有着独特的拉伸结构,连接着每一片被分开的翅膜。它们的前翅非常小,后翅却非常大,完全展开面积是前翅的10倍以上。

蠼螋的后翅折叠非常复杂,包含了扇面折叠和对折两种方式。它们的翅膀大致可分为两个区域,在需要折叠时,首先是外侧区域以扇面方式进行折叠,缩小至1/3;缩小后的翅膀又会两次对折缩小成 1/4,在3次折叠下,蠼螋的翅膀面积只有原来的1/12!这样就可以轻松地隐藏在它们的前翅底下了。

蠼螋和甲虫的策略是相似的,后翅只有飞行的时候会展开, 平时被好好地保护着。螳螂和甲虫的单折叠模式并不算复杂,可以快速打开,但蠼螋呢?实际上,它们的翅膀打开速度也很快,几乎就在一瞬间,而且并不需要花费太多的力气,这种特点非常令人着迷。

蠼螋把翅膀展开或许并不算一件难事,毕竟高度压缩的翅膀,扇动几下就会被甩开。但蠼螋最厉害之处,在于它是如何把翅膀 精准地折叠回去的:蠼螋的翅膀上没有任何肌肉,它们不可能对翅膀进行精确折叠。实际上,蠼螋在“折纸”这件事上拥有极高的天赋,它们的翅膀由翅脉和翅膜组成,翅脉上有着独特的拉伸结构,连接着每一片被分开的翅膜。

这些纵横交错的拉伸结构就像是一个小小的弹簧,又分别起到不同方向的弹力,在某个机关被打开的时候,蠼螋的翅膀会在弹性作用下,自动地发生扇形折叠,再发生两次对折,变成原来1/12的大小。

蠼螋翅膀的这种自折叠能力在动物世界里几乎是独一无二的存在。折叠技术看起来很陌生,但实际上却有着各种应用,例如大幅的地图和帐篷,展开往往很容易,但折叠回原来的大小却非常费时费力,更别提折回原来的形状了。试想一下,拥有一个可以自动展开和自动折叠的帐篷,用省下的时间去享受夕阳的暖光,该是多么惬意。

昆虫翅膀为太阳能电池帆板设计提供灵感

尽管太阳电池阵通常装在航天器的两侧,看上去就像是航天器的一对小翅膀,然而我们都知道,它并不是用来飞行的。太阳电池阵能够将太阳能转化为电能,为航天器中的仪器设备提供能源,是航天器在执行任务时必不可少的能量来源。

卫星和太空航天器在发射时受到火箭的限制,需要尽量减少体积与重量,但太阳能帆板又需要有足够的面积才能提供足够的电力,而这两者的矛盾或许可以由蠼螋解决。

比如做一块弹性折叠的太阳能电池板,安装在火星探测器上。电池板的折叠方式就像剪刀虫的翅膀一样,中间是圆形的固定区,折叠区围绕中间的圆圈旋转打开。在发送探测器时,折叠起来的电池板不占空间,运输方便。当探测器到达火星轨道时,不需要致动器就能自动展开到最大尺寸,也不需要稳定器,电池板就能自我锁定,保持结构。

天问一号由环绕器、着陆器和巡视器组成,重量达到5吨左右。在人类发射的火星探测器中,天问一号算是一个比较大体量的探测器,因为中国这次的任务是一次发射完成多种探测。

人类探测火星的方式与探测月球的方式基本类似,包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测等五种。这些探测方式人类都采用过,但每次发射基本上只采用其中的一两种探测方式。只有美国曾实现过一次发射完成环绕探测和着陆探测。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动,但都只完成了环绕探测。

“祝融号”火星车上面有两个大眼睛,这两个大眼睛是导航地形相机,它能看得更远,来自主规划一个行进的路线。下面还有两个大眼睛,这两个大眼睛是避障相机,虽然它看得不是很远,但可以看得角度更宽。在实际的行驶过程中,前后还有两个避障相机辅助。火星车有6个轮,可以正负九十度进行转弯。

火星距离太阳要比地球距离太阳要远得多,因此火星上的太阳照度只有地球的大概40%。为了满足火星车在火星上工作的能量要求,“祝融号”火星车太阳能帆板就做得特别大,比之前的玉兔和玉兔二号要大得多,由4块太阳能帆板组成,设计灵感来源于蝴蝶。做成蝴蝶的形状便于收纳,另一方面蝴蝶比较漂亮,这也是科学家的浪漫。

原标题:小小昆虫,将翅膀折叠玩出“新高度”!“折叠技术”居然解决了航天难题
 
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