浙工大宋逸、吴化平/南航戴振东、吉爱红/基尔大学 Gorb S N《PNAS》：中华稻蝗水面跳跃能力启发新型机器人设计
科技
2024-04-04 19:41
广东
蝗虫因其独特的地面运动能力和飞行能力而闻名，已经成为仿生机器人研究中重要的灵感来源。除人们已经熟知的地面跳跃能力和飞行能力外，浙江工业大学宋逸副研究员、吴化平教授、南京航空航天大学戴振东教授、吉爱红教授和德国基尔大学 Gorb S N 教授等人在最新的研究中首次发现中华稻蝗Oxya chinensis 等蝗虫还能够在水面游动、跳跃，证实了该类昆虫的水陆空三栖运动能力。宋逸等人对中华稻蝗Oxya chinensis 的水面运动及仿生进行了深入研究，相关成果以“Multiple forces facilitate the aquatic acrobatics of grasshopper and bioinspired robot” 为题发表在国际顶级期刊《Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America》上。图1 中华稻蝗水面运动启发多足水面机器人设计
研究人员首先对中华稻蝗的水面游动和跳跃行为进行了研究。通过利用高速摄像机对蝗虫进行观察，揭示了蝗虫在水面运动时各肢体的行为匹配规律（图2）。蝗虫在水面游动时，它们的前肢向前并拢，中肢向后滑动，后肢的胫节向后下方划水，最大角速度约8°/ms。而当它们在水面上跳跃时，它们首先利用前肢和中肢向后下方划水将身体抬高，然后利用后肢胫节猛烈划水来将身体从水面弹出，最大角速度高达20°/ms。![]()
图2 蝗虫水面运动中各肢体的速度和角度
基于行为学观测，研究人员进一步对蝗虫在水面运动时与水体之间的相互作用力进行了分析。与水黾（Water Strider）等动物利用表面张力在水面运动及蛇怪蜥蜴（basilisk lizard）利用肢体扑水产生的流体动力来在水面上运动不同，蝗虫在水面上的运动涉及多种力，包括浮力、流体阻力、附加质量力和表面张力等。模型分析结果表明，蝗虫在跳跃模式中能够在水平方向和垂直方向上分别产生约7.79 mN·s和约3.62 mN·s的冲量，最终将它们从水中弹出。而在游动模式中在前后方向和竖直方向上分别产生约1.40 mN·s和0.78 mN·s的冲量，只能向前推动身体，而无法从水中跃出。上述结果表明，蝗虫的分布式肢体是其水面运动能力的结构机构保障，而各肢体间的协同作用是蝗虫在水面运动反力的核心来源。图3 蝗虫水面运动时各肢体与水体的相互作用力和冲量受中华稻蝗启发，研究人员进一步设计了仿蝗虫多足机器人。通过学习蝗虫的结构特征和水面运动过程中的肢体调控策略，该机器人展示了不同形式的水面上运动能力，为进一步研制更高性能的水面机器人及跨介质多栖运动机器人奠定了基础。该研究得到了国家自然科学基金委员会和浙江省科学技术厅的经费资助。Song Yi, Wang Huan, Dai Zhendong, Ji Aihong, Wu Huaping, Gorb Stanislav N, Multiple forces facilitate the aquatic acrobatics of grasshopper and bioinspired robot, PNAS, 2024, 121, e2313305121. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313305121
