剪刀虫折叠翅膀,比折叠降落伞还复杂

文摘   2024-07-29 20:30   福建  

展翅高飞的动物,除了鸟儿,还有昆虫。微不足道的昆虫,折叠翅膀的方法却大有玄机。

在鸟儿演化出翅膀,飞向蓝天之前,占领广袤天空的是一群小虫子。第一双昆虫的翅膀,早在3亿年前就在阳光中闪亮挥舞。

走过3亿年的演化岁月,虫子的翅膀推陈出新,不仅外形丰富多彩,停留姿势也大有不同。休息时,蜻蜓的翅膀平展铺在后背,蝴蝶的翅膀竖起直立,蜜蜂的翅膀收拢贴合。最为低调的飞行员是甲虫,当它慢吞吞的爬过地面时,你只能看见它一身厚实的甲壳,不知道它居然还有翅膀,还会飞行。


甲虫的翅膀折叠法

甲虫有2对翅膀,前翅和后翅。前翅演化成铠甲一样的保护罩,叫做鞘翅,罩住了薄如纱裙的后翅。后翅平时折叠收藏,飞行时才会亮翅伸展。

折叠翅膀是门手艺,每只甲虫都有自己不外传的独门收翅方法。按照甲虫的体型排队,大个头的甲虫折叠方法简单,个头越小的甲虫,翅膀折叠得越精致。


先来看金龟子的翅膀,金龟子个头大身体重。要带动圆滚滚的大胖子起飞,翅膀得坚硬一点儿才撑得住,所以金龟子的后翅比较硬,扇动拍打时坚强有力,不过折叠起来也比其他甲虫的软翅费劲,它的翅膀只折1折,折叠办法简单实用,只要能收起来背在背上就行。


接下来看瓢虫的翅膀,瓢虫比金龟子个头小,翅膀更软,它的折叠方法要复杂很多。为了观察七星瓢虫折叠收翅的过程,东京大学团队,给它做了一个透明的前翅,替换掉原来的保护罩。收翅细节很清晰,瓢虫先关闭前翅盖,然后才回收后翅,后翅缩进前盖下,折叠成Z字型。


图中黄纸片模拟了瓢虫的折翅,比你叠衣服要复杂很多。横向和纵向的折线,并没有交接在一个折点上,而是折出了中间一个菱形。展翅时,图片中的菱形区固定不动,整个翅膀围绕固定区撑开。虽然折线复杂,收翅时要费点儿功夫,但复杂的折叠法为快速打开做好了准备。瓢虫收折翅膀要用2秒钟,但在0.1秒内就能打开叠好的翅膀,展翅飞翔。很合理,遇到危险时起飞,需要速度。找到安全地点才降落,可以慢慢折叠翅膀。

不过,瓢虫的折翅并不是最复杂的,比瓢虫手艺更高的是剪刀虫。剪刀虫,学名叫蠼螋,尾巴上有一对令人望而生畏的大钳子。


剪刀虫的翅膀折叠法

剪刀虫的钳子有3大作用,第一用途是作为炫耀装备,用来吸引妹子。第二用途是,捕猎防御的武器,攻防兼备。第三用途是,整理清洁翅膀。剪刀虫有一双藏在身体里的翅膀,打开后,比其它昆虫的翅膀都要大。而收藏翅膀的背包,却比其它昆虫的背包要小很多。

剪刀虫打包的秘诀是:只要翅膀折得好,没有装不下的背包。看到剪刀虫展翅的过程,你就知道这双翅膀折叠难度不亚于降落伞的折叠难度。折叠起来的翅膀,比全部打开时,表面积能减少10~18倍。叠好的翅膀放在小背包里,既不占空间,也不会妨碍到虫子的活动。背着翅膀的身体依然很灵活,能够随意反翘肚皮,挥舞它的大钳子武器。


图片里是翅膀折叠后的成像,红线和蓝线是翅膀上纵向的翅脉,绿线是环形的翅脉。


上图是翅膀展开后的细节图,中间的黑色虚线是翅膀弯折的地方。白色线条是翅脉,黑线是折叠线。

翅膀的折叠分为中间圆形的定位区,和外部的折叠区。折叠顺序如下:沿着中间圆形定位区,先折出一道道长折痕,折线围绕圆形区旋转展开,并不汇集到同一个折点。像折扇一样合拢折痕,然后再内折一次。看上去像折扇一样简单的折叠,实际上却不简单,你拿一张A4纸做模拟的话,没法做到完全还原。

纸张模拟不了翅膀的原因,正是折叠的关键所在,因为翅膀有弹性而纸张是刚性的。昆虫翅膀的材料,是一层薄到透明的几丁质。翅膀上,没有骨骼和肌肉做支撑,支撑结构是一条条叫做翅脉的管道,里面流动着体液,甲虫能调节液体的压力控制翅膀的运动。在翅膀弯折的地方,还有加粗的弹性纤维。当甲虫展翅时,打开前就像按下了弹簧开关,释放出折叠翅膀里的弹性张力,不用外力,翅膀自动张开。虫子只要扇动几下翅膀,就能铺平翅膀并锁定结构。


苏黎世联邦理工学院联合普渡大学团队,模仿剪刀虫的翅膀,打印出带弹性的折纸模型,刚性纸板中间由弹性材料连接。只要用手指轻轻碰一下,纸板就能自动折叠。当折纸合拢时,产生向内的闭合力,能够承重。只依靠折叠结构,不用外力就能锁定结构,像机械手一样抓住重物。这种纸板折叠出来的承重力,只有弹性折纸才能做到,普通折纸没法做到。

像昆虫翅膀一样的自锁式弹性折纸,应用范围很广,除了居家生活的帐篷、日常折叠电子设备外,还能用在太空探测。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。


昆虫飞行了3亿年,演化出节省力气,经济适用的翅膀折叠法。给我们的太空探测器插上一双昆虫的翅膀,让它飞得更轻更快更高。


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