昆蟲對(duì)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(jiān)硬,通常覆蓋身體的一部分并保護(hù)后翅,后翅可以折疊收放在前翅下面。如果加以細(xì)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(dāng)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(shí)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(dāng)復(fù)雜的組合式折疊。就連太空中人造衛(wèi)星的光伏電池板設(shè)計(jì)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(gè)小朋友都喜愛的游戲,兒時(shí)的紙飛機(jī)是很多人的童年回憶。其實(shí)在自然界,很多動(dòng)植物也擅長(zhǎng)折疊項(xiàng)目,有些昆蟲更是將翅膀折疊玩出了“新高度”。
對(duì)昆蟲來說,翅膀確實(shí)是個(gè)便利的結(jié)構(gòu),讓它們能有更廣闊的活動(dòng)空間。但有時(shí)候翅膀也會(huì)成為累贅,在不飛行的時(shí)候,碩大的翅膀很容易暴露自己,因此很多昆蟲都會(huì)把翅膀“藏”起來。
蠼螋和隱翅蟲長(zhǎng)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(huì)更大更顯著。所以你這么大個(gè)頭兒,并不是它的獵物……蠼螋對(duì)人無害,平時(shí)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(shí)將其緊緊地包覆于前翅之下,從而放心地在土壤中活動(dòng)而不會(huì)損壞它們,同時(shí)也能靈活地隨意反翹腹部,揮舞它的大鉗子武器。當(dāng)它需要飛行時(shí),機(jī)翼會(huì)以單一關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)展開,并且在飛行時(shí)不需要任何肌肉活動(dòng)來穩(wěn)定它,收回時(shí)也同樣不必借助任何肌肉力量的驅(qū)動(dòng)。如此節(jié)能高效的方式對(duì)科研人員頗具吸引力。
日本九州大學(xué)藝術(shù)工學(xué)研究院的齊藤一哉講師與英國牛津大學(xué)自然博物館的研究人員合作,發(fā)現(xiàn)蠼螋翅膀的復(fù)雜折疊模式可以通過非常簡(jiǎn)單的幾何學(xué)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?fàn)顟B(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(shí)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(dú)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(fù)雜,包含了扇面折疊和對(duì)折兩種方式。它們的翅膀大致可分為兩個(gè)區(qū)域,在需要折疊時(shí),首先是外側(cè)區(qū)域以扇面方式進(jìn)行折疊,縮小至1/3;縮小后的翅膀又會(huì)兩次對(duì)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(shí)候會(huì)展開, 平時(shí)被好好地保護(hù)著。螳螂和甲蟲的單折疊模式并不算復(fù)雜,可以快速打開,但蠼螋呢?實(shí)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(fèi)太多的力氣,這種特點(diǎn)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(dòng)幾下就會(huì)被甩開。但蠼螋最厲害之處,在于它是如何把翅膀 精準(zhǔn)地折疊回去的:蠼螋的翅膀上沒有任何肌肉,它們不可能對(duì)翅膀進(jìn)行精確折疊。實(shí)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(dú)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(cuò)的拉伸結(jié)構(gòu)就像是一個(gè)小小的彈簧,又分別起到不同方向的彈力,在某個(gè)機(jī)關(guān)被打開的時(shí)候,蠼螋的翅膀會(huì)在彈性作用下,自動(dòng)地發(fā)生扇形折疊,再發(fā)生兩次對(duì)折,變成原來1/12的大小。
蠼螋翅膀的這種自折疊能力在動(dòng)物世界里幾乎是獨(dú)一無二的存在。折疊技術(shù)看起來很陌生,但實(shí)際上卻有著各種應(yīng)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(fèi)時(shí)費(fèi)力,更別提折回原來的形狀了。試想一下,擁有一個(gè)可以自動(dòng)展開和自動(dòng)折疊的帳篷,用省下的時(shí)間去享受夕陽的暖光,該是多么愜意。
昆蟲翅膀?yàn)樘柲茈姵胤逶O(shè)計(jì)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(duì)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(shè)備提供能源,是航天器在執(zhí)行任務(wù)時(shí)必不可少的能量來源。
衛(wèi)星和太空航天器在發(fā)射時(shí)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(cè)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(cè)器時(shí),折疊起來的電池板不占空間,運(yùn)輸方便。當(dāng)探測(cè)器到達(dá)火星軌道時(shí),不需要致動(dòng)器就能自動(dòng)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(hào)由環(huán)繞器、著陸器和巡視器組成,重量達(dá)到5噸左右。在人類發(fā)射的火星探測(cè)器中,天問一號(hào)算是一個(gè)比較大體量的探測(cè)器,因?yàn)橹袊@次的任務(wù)是一次發(fā)射完成多種探測(cè)。
人類探測(cè)火星的方式與探測(cè)月球的方式基本類似,包括環(huán)繞探測(cè)、著陸探測(cè)、巡視探測(cè)、采樣返回探測(cè)和載人登陸探測(cè)等五種。這些探測(cè)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(cè)方式。只有美國曾實(shí)現(xiàn)過一次發(fā)射完成環(huán)繞探測(cè)和著陸探測(cè)。歐洲曾兩次進(jìn)行類似的火星探測(cè)活動(dòng),但都只完成了環(huán)繞探測(cè)。
“祝融號(hào)”火星車上面有兩個(gè)大眼睛,這兩個(gè)大眼睛是導(dǎo)航地形相機(jī),它能看得更遠(yuǎn),來自主規(guī)劃一個(gè)行進(jìn)的路線。下面還有兩個(gè)大眼睛,這兩個(gè)大眼睛是避障相機(jī),雖然它看得不是很遠(yuǎn),但可以看得角度更寬。在實(shí)際的行駛過程中,前后還有兩個(gè)避障相機(jī)輔助?;鹦擒囉?個(gè)輪,可以正負(fù)九十度進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。
火星距離太陽要比地球距離太陽要遠(yuǎn)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(hào)”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(hào)要大得多,由4塊太陽能帆板組成,設(shè)計(jì)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(xué)家的浪漫。
原標(biāo)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