美國工程師設計仿生翅膀延長微型機器人續航

美國工程師受蚱蜢飛行機制啟發，設計出新型仿生翅膀，通過滑翔延長微型機器人續航。這項研究旨在解決微型飛行器面臨的核心難題：高功耗與笨重電池。

普林斯頓大學研究團隊借鑒美洲蚱蜢獨特的飛行力學，為昆蟲尺度機器人建立了新模型。蚱蜢笨拙低效的飛行方式，可能恰好破解機器人領域的重大能源困局。

傳統微型機器人多以蜜蜂為藍本，但這種設計能耗巨大，導致多數微型機器人起飛不久便需緊急充電。為此，研究團隊開始深入探究蚱蜢如何在跳躍、撲翼與滑翔三種模式間切換。

機械與航空航天工程副教授艾米·維薩指出："滑翔是種低成本的飛行模式。"蜜蜂等昆蟲依賴的撲翼飛行能耗極高，對于昆蟲尺寸的機器人而言，支撐持續撲翼所需電池的重量往往超過機體承載力。而蚱蜢采用的廉價飛行模式——滑翔——能有效保存能量，使機器人可在需要時分配動力推進，在節能時展開翅膀滑行。

維薩團隊與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的生物學家合作，對真實蚱蜢翅膀展開研究。蚱蜢雖有兩對翅膀，但研究人員專注解析后翅的高效飛行奧秘。后翅呈現褶皺狀的"峰谷"三維結構，兼具雙重功能：既提供撲翼所需的結構完整性，又能在閑置時整齊折疊。

通過高分辨率CT掃描，研究人員發現蚱蜢的"手風琴式"翅膀具有獨特機械優勢：收攏時可增強地面移動能力，展開時能以最小阻力實現彈射起飛。

為驗證設計，團隊將3D打印翅膀浸入水槽繪制流體動力學圖譜，借助水流優化翼型空氣動力學形態。優化后的翅膀被裝配到輕質框架上，在普林斯頓機器人實驗室進行拋射測試。高速動作捕捉攝像機記錄顯示，這些合成滑翔器實現了重要突破——其飛行效率已與真實蚱蜢持平。

研究還發現一個反直覺現象：雖然真實蚱蜢翅膀為便于折疊形成尖銳峰谷褶皺，但實驗表明光滑翼型反而滑翔效率更高。作為項目首席研究員，維薩補充道："這說明褶皺結構可能因其他原因進化形成。"自然選擇似乎為了結構需要犧牲了部分氣動性能，這些脊狀結構可能有助于翅膀折疊或應對大迎角飛行。

團隊接下來的挑戰是如何在不增加沉重電機的前提下，實現翅膀自動展開與收攏。若攻克此難關，新一代救援機器人將不再只是嗡嗡振翅——它們能憑借單次充電實現跳躍、爬行與翱翔的多元運動模式。

該研究成果已于1月7日發表于《皇家學會界面雜志》。

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