据外媒报道，来自加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）、佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）和韩国亚洲大学（Ajou University in South Korea）的合作研究团队发现，水黾（Rhagovelia）独特的扇形螺旋桨——使它们能够在湍急的溪流中滑行——可以像画笔一样被动地开合，速度比眨眼快十倍。受这一生物创新的启发，该团队开发了一种昆虫级机器人，它内置了可自我变形的风扇，可以模仿水黾的敏捷动作。这项研究强调了自然选择塑造的生物适应性形态和功能如何能够增强水黾和生物工程机器人的运动能力和耐力，而无需增加额外的能量成本。

图片来源： 加州大学伯克利分校

Rhagovelia水黾在水黾中独树一帜，因为这些毫米级大小的半水生昆虫在其推进腿上使用特殊的扇形结构，使其能够快速转弯和爆发速度。

“疫情期间，我在肯尼索州立大学做博士后工作时，第一次看到波纹虫就被深深吸引了，”加州大学伯克利分校的综合生物学家、该研究的主要作者Victor Ortega-Jimenez说道。“这些微小的昆虫在湍急的水流表面快速掠过和旋转，以至于它们看起来就像飞行的昆虫。它们是怎么做到的？这个问题一直萦绕在我的心头，我花了五年多的时间与它们进行深入的合作才找到答案。”

在此之前，人们一直认为这些扇形体完全由肌肉运动驱动。然而，发表在期刊《Science》上的一项研究报告称，Rhagovelia扁平的带状扇形体可以利用表面张力和弹力被动变形，而无需依赖肌肉能量。Ortega-Jimenez博士表示：“首次观察到孤立的扇形结构在接触水滴后几乎瞬间被动膨胀，这完全出乎意料。”

这种腿部收回时的可折叠性和推进时的刚性的非凡结合，使得这些昆虫能够在短短50毫秒内完成急转弯，并以高达每秒120个体长的速度移动，堪比苍蝇的快速空中机动能力。

Ortega-Jimenez博士于2020年离开肯塔基州立大学（KSU）加入佐治亚理工学院，他将这个项目以及对Rhagovelia虫的初步观察结果提交给了Saad Bhamla博士。

“我看到了一个隐藏在显而易见的发现。我们常常认为科学是天才们独自进行的运动，但这与事实相去甚远。现代科学的核心是由充满好奇心的科学家组成的跨学科团队，他们跨越国界和学科，共同研究自然，并设计出新的仿生机器。”Bhamla博士说道。这项跨学科的研究持续了五年多，融合了实验生物学、流体物理学和工程设计。

受水纹虫启发，打造一款昆虫大小的机器人是一项重大挑战，尤其因为风扇的微观结构设计仍是一个谜。亚洲大学的Dongjin Kim博士和Je-Sung教授使用扫描电子显微镜捕捉到了风扇的高分辨率图像，最终取得了突破，揭开了这一谜团的答案。

“我们最初设计了各种类型的圆柱形风扇，我们通常认为它们就像头发的形状，”亚洲大学博士后研究员、本研究的主要作者Dongjin Kim博士说道。“然而，风扇的双重功能——既要有刚性才能产生推力，又要有柔性才能折叠——无法通过圆柱形结构实现。经过多次尝试，我们最终通过设计扁平带状风扇克服了这一挑战。”

Dongjin Kim补充道：“我们强烈怀疑生物风扇可能具有相似的形态，最终发现Rhagovelia风扇确实拥有一种此前从未报道过的扁平带状微结构。这一发现进一步验证了我们人造扁平带状风扇的设计原理。基于这些见解，他们能够解读这种自然推进系统的结构基础和功能，并将其以机器人形式再现。最终，他们设计出一个重量为一毫克、可自行展开的弹性毛细管风扇，并将其集成到一个昆虫大小的机器人中。该微型机器人能够增强推力、制动和机动性，并通过活体昆虫和机器人原型实验进行了验证。”

“我们的机器人风扇仅利用水面力和灵活的几何形状进行自我变形——就像它们的生物对应物一样。这是一种机械嵌入式智能，由大自然经过数百万年的进化精炼而成。在小型机器人领域，这类高效独特的机制将成为突破传统机器人小型化限制的关键技术。”该研究的资深作者Je-sung Koh教授说道。

这项研究不仅建立了风扇微结构与水中运动控制之间的直接联系，也为未来设计能够在具有挑战性的快速流动环境中探索水面的紧凑型半水生机器人奠定了基础。

涟漪虫的扇形结构在入水和出水时会迅速折叠和重新打开，展现出前所未有的生物力学二元性——高灵活性使其能够快速部署，高刚性使其能够提供推力。这种二元性解决了小型水上机器人长期以来存在的局限性，例如划水恢复效率低下和机动能力有限。

众所周知，在推进过程中，无扇形水黾（例如，水黾科的水黾）在水面上划动其超疏水腿时，会产生特征性的偶极涡流和毛细波。

相比之下，扇形的Rhagovelia虫每次划动都会产生独特而复杂的涡流特征，与翅膀在空中拍打产生的尾流非常相似。

“Rhagovelia虫就像希腊神话中的赫尔墨斯一样，腿上长着小翅膀，”Ortega-Jimenez博士说道。“未来的研究需要确定，除了基于阻力的推进力之外，Rhagovelia虫是否也能利用其扇形结构产生类似的升力推力。”

这种可能性很有趣，因为有证据表明，旋毛虫和鸬鹚分别通过其多毛的腿和蹼足产生流体动力升力来推动游泳。

除了这些涡流之外，Rhagovelia虫在腿部推进时还会形成对称的毛细波，这似乎有助于产生推力，同时在身体前部还会形成强烈的弓形波。

天然溪流对它们来说是一项真正的挑战，尤其对生活和活动于其交界处的微小动物而言。体型大约只有米粒大小的涟漪虫必须在高度动态、波浪起伏且湍急的水流中穿行，同时还要躲避捕食者、捕捉猎物并寻找配偶。

这些昆虫每天所承受的湍流强度远远超过我们通常所经历的飞机湍流。令人惊讶的是，在实验室中对这些昆虫进行24小时的监测，揭示了它们非凡的耐力。

“它们几乎在整个生命周期中日夜不停地划桨，只有在蜕皮、交配或进食时才会停下来，”Ortega-Jimenez说道。

溪流中存在的这些不稳定条件也给设计能够在如此难以预测的水域中有效移动的界面微型机器人带来了巨大的困难。

“在设计小型机器人时，重要的是要考虑它们将要运行的特定环境——在本例中是水面。通过利用该环境的独特属性，机器人的性能和效率可以得到显著提升。例如，Rhagobot能够沿着流动的溪流快速行进，这要归功于其智能风扇结构，该结构由表面张力和水面阻力驱动，”Jesung Koh说道。

最后，这些发现可能对仿生机器人技术产生广泛的影响，特别是在环境监测系统、搜救微型机器人以及能够以类似昆虫的灵活性在扰动的水-空气界面中导航的设备的开发方面。