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小小昆蟲,將翅膀折疊玩出“新高度”!“折疊技術(shù)”居然解決了航天難題
日期:2023-12-07   [復制鏈接]
責任編輯:sy_huamengqi 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
昆蟲對翅膀的折疊非常普遍。比如常見的瓢蟲,作為一種典型的鞘翅目甲蟲,它們的翅膀大多數(shù)分為前翅和后翅,前翅為鞘翅,不能用來飛行,但比較堅硬,通常覆蓋身體的一部分并保護后翅,后翅可以折疊收放在前翅下面。如果加以細分的話,昆蟲們的折疊收翅方式是分不同門派的,比如縱向折疊的馬蜂、扇形折疊的螞蚱、橫向折疊的隱翅蟲,等等。

當中堪稱“折疊大師”的,便是俗稱“耳夾子蟲”的蠼螋了。蠼螋前翅為很小的革翅,后翅完全展開時則非常大,折疊后可全部收放到前翅“小馬甲”下,這需要極大的折疊率。蠼螋的翅膀是所有昆蟲中折疊起來最緊湊的,只有展開狀態(tài)的1/15左右,為相當復雜的組合式折疊。就連太空中人造衛(wèi)星的光伏電池板設計都要借鑒它們的“思路”。

小小昆蟲,將翅膀玩出“新高度”

折紙是每個小朋友都喜愛的游戲,兒時的紙飛機是很多人的童年回憶。其實在自然界,很多動植物也擅長折疊項目,有些昆蟲更是將翅膀折疊玩出了“新高度”。

對昆蟲來說,翅膀確實是個便利的結(jié)構(gòu),讓它們能有更廣闊的活動空間。但有時候翅膀也會成為累贅,在不飛行的時候,碩大的翅膀很容易暴露自己,因此很多昆蟲都會把翅膀“藏”起來。

蠼螋和隱翅蟲長得很像,但它屬于革翅目昆蟲,它倆最大的區(qū)別就是螺嫂有屬鐵(屬巴上的大夾子),可以快速抓住獵物,雄性尾部夾子會更大更顯著。所以你這么大個頭兒,并不是它的獵物……蠼螋對人無害,平時取食一些植物,還可以幫人捉捉其他害蟲。蠼螋的后翅要比前翅大得多,平常像扇子一樣折疊在前翅里面,現(xiàn)在一些衛(wèi)星上的太陽能板就借鑒了這種結(jié)構(gòu)。

高度緊湊的后翅使蠼螋得以在不飛翔時將其緊緊地包覆于前翅之下,從而放心地在土壤中活動而不會損壞它們,同時也能靈活地隨意反翹腹部,揮舞它的大鉗子武器。當它需要飛行時,機翼會以單一關(guān)節(jié)運動展開,并且在飛行時不需要任何肌肉活動來穩(wěn)定它,收回時也同樣不必借助任何肌肉力量的驅(qū)動。如此節(jié)能高效的方式對科研人員頗具吸引力。

日本九州大學藝術(shù)工學研究院的齊藤一哉講師與英國牛津大學自然博物館的研究人員合作,發(fā)現(xiàn)蠼螋翅膀的復雜折疊模式可以通過非常簡單的幾何學規(guī)則繪制。他們的研究表明,蠼螋所采用的組合式折疊收翅方式,其折疊順序是扇形折疊、橫向折疊、縱向折疊。此外,蠼螋還演化出了巧妙的結(jié)構(gòu),使得膜翼在折疊狀態(tài)和伸展狀態(tài)下均可保持鎖定狀態(tài),而且膜翼具有足夠的抗彎剛度,便于撲翼飛行。

擁有折紙“天賦”,翅膀結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵

實際上,蠼螋在“折紙”這件事上擁有極高的天賦,是由它翅膀的結(jié)構(gòu)決定的。它們的翅膀由翅脈和翅膜組成,翅脈上有著獨特的拉伸結(jié)構(gòu),連接著每一片被分開的翅膜。它們的前翅非常小,后翅卻非常大,完全展開面積是前翅的10倍以上。

蠼螋的后翅折疊非常復雜,包含了扇面折疊和對折兩種方式。它們的翅膀大致可分為兩個區(qū)域,在需要折疊時,首先是外側(cè)區(qū)域以扇面方式進行折疊,縮小至1/3;縮小后的翅膀又會兩次對折縮小成 1/4,在3次折疊下,蠼螋的翅膀面積只有原來的1/12!這樣就可以輕松地隱藏在它們的前翅底下了。

蠼螋和甲蟲的策略是相似的,后翅只有飛行的時候會展開, 平時被好好地保護著。螳螂和甲蟲的單折疊模式并不算復雜,可以快速打開,但蠼螋呢?實際上,它們的翅膀打開速度也很快,幾乎就在一瞬間,而且并不需要花費太多的力氣,這種特點非常令人著迷。

蠼螋把翅膀展開或許并不算一件難事,畢竟高度壓縮的翅膀,扇動幾下就會被甩開。但蠼螋最厲害之處,在于它是如何把翅膀 精準地折疊回去的:蠼螋的翅膀上沒有任何肌肉,它們不可能對翅膀進行精確折疊。實際上,蠼螋在“折紙”這件事上擁有極高的天賦,它們的翅膀由翅脈和翅膜組成,翅脈上有著獨特的拉伸結(jié)構(gòu),連接著每一片被分開的翅膜。

這些縱橫交錯的拉伸結(jié)構(gòu)就像是一個小小的彈簧,又分別起到不同方向的彈力,在某個機關(guān)被打開的時候,蠼螋的翅膀會在彈性作用下,自動地發(fā)生扇形折疊,再發(fā)生兩次對折,變成原來1/12的大小。

蠼螋翅膀的這種自折疊能力在動物世界里幾乎是獨一無二的存在。折疊技術(shù)看起來很陌生,但實際上卻有著各種應用,例如大幅的地圖和帳篷,展開往往很容易,但折疊回原來的大小卻非常費時費力,更別提折回原來的形狀了。試想一下,擁有一個可以自動展開和自動折疊的帳篷,用省下的時間去享受夕陽的暖光,該是多么愜意。

昆蟲翅膀為太陽能電池帆板設計提供靈感

盡管太陽電池陣通常裝在航天器的兩側(cè),看上去就像是航天器的一對小翅膀,然而我們都知道,它并不是用來飛行的。太陽電池陣能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)化為電能,為航天器中的儀器設備提供能源,是航天器在執(zhí)行任務時必不可少的能量來源。

衛(wèi)星和太空航天器在發(fā)射時受到火箭的限制,需要盡量減少體積與重量,但太陽能帆板又需要有足夠的面積才能提供足夠的電力,而這兩者的矛盾或許可以由蠼螋解決。

比如做一塊彈性折疊的太陽能電池板,安裝在火星探測器上。電池板的折疊方式就像剪刀蟲的翅膀一樣,中間是圓形的固定區(qū),折疊區(qū)圍繞中間的圓圈旋轉(zhuǎn)打開。在發(fā)送探測器時,折疊起來的電池板不占空間,運輸方便。當探測器到達火星軌道時,不需要致動器就能自動展開到最大尺寸,也不需要穩(wěn)定器,電池板就能自我鎖定,保持結(jié)構(gòu)。

天問一號由環(huán)繞器、著陸器和巡視器組成,重量達到5噸左右。在人類發(fā)射的火星探測器中,天問一號算是一個比較大體量的探測器,因為中國這次的任務是一次發(fā)射完成多種探測。

人類探測火星的方式與探測月球的方式基本類似,包括環(huán)繞探測、著陸探測、巡視探測、采樣返回探測和載人登陸探測等五種。這些探測方式人類都采用過,但每次發(fā)射基本上只采用其中的一兩種探測方式。只有美國曾實現(xiàn)過一次發(fā)射完成環(huán)繞探測和著陸探測。歐洲曾兩次進行類似的火星探測活動,但都只完成了環(huán)繞探測。

“祝融號”火星車上面有兩個大眼睛,這兩個大眼睛是導航地形相機,它能看得更遠,來自主規(guī)劃一個行進的路線。下面還有兩個大眼睛,這兩個大眼睛是避障相機,雖然它看得不是很遠,但可以看得角度更寬。在實際的行駛過程中,前后還有兩個避障相機輔助?;鹦擒囉?個輪,可以正負九十度進行轉(zhuǎn)彎。

火星距離太陽要比地球距離太陽要遠得多,因此火星上的太陽照度只有地球的大概40%。為了滿足火星車在火星上工作的能量要求,“祝融號”火星車太陽能帆板就做得特別大,比之前的玉兔和玉兔二號要大得多,由4塊太陽能帆板組成,設計靈感來源于蝴蝶。做成蝴蝶的形狀便于收納,另一方面蝴蝶比較漂亮,這也是科學家的浪漫。

原標題:小小昆蟲,將翅膀折疊玩出“新高度”!“折疊技術(shù)”居然解決了航天難題
 
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