昆蟲飛行角度由什么肌肉控制？南洋理工大學研究有了新發現

如果看到蟲子，先別急著拿拖鞋打，因為那可能是一只被改造過的“機器昆蟲”。

昆蟲擁有令人驚嘆的運動、彈跳和飛行能力，許多科學家從昆蟲的生理機制中汲取靈感，已經開發出不少仿生機器人，例如Festo的蝴蝶機器人、仿生螞蟻等。這些仿生機器人致力于模仿動物的生理機制，但其實還有一種更高效的方式，那就是直接以生物為基礎打造機器人。

新加坡南洋理工大學的團隊早在2015年就對“半機器半昆蟲”進行研究，研發出了世界上最小的機器昆蟲。他們給活體甲殼蟲背上“電子背包”，通過刺激甲殼蟲的觸須或肌肉控制它們行走或飛行，并且不會影響昆蟲的壽命。

然而，完全控制甲蟲飛行并不是易事，需要激活多個飛行肌肉的能力。南洋理工大學和德國弗萊堡大學近期在期刊《類生命系統》(Cyborg and Bionic Systems)發表了最新研究，證明了甲殼蟲的翼下肌肉對于飛行時的俯仰和偏航、翅膀的阻力與升力等具有關鍵作用，這個發現可以讓機器甲殼蟲的飛行具有更復雜的機動性，例如懸停、棲息和掃視。

研究人員使用了一種大型的花甲蟲，即烏干達角金龜作為實驗對象，它具有敏捷的飛行能力，堅固的硬殼可保護自己免受碰撞，也能承受“電子背包”的負載。

“電子背包”由一個小型的微控制器、九軸IMU、接收和發送器組成，微型I/O接頭可以連接電極，整個設備由微型鋰電池供電，IMU用于測量方向和運動。這個背包重1.6g左右，幾乎不會影響甲殼蟲的飛行速度。

在飛行中，甲殼蟲主要使用三種肌肉來控制翅膀的運動學：基底、翼下和第三腋下鞏膜 (3Ax) 肌肉。在之前的研究中，通過刺激甲殼蟲的基底肌肉和3Ax肌肉，已經實現了對甲殼蟲轉向控制，但對翼下肌肉的研究尚未開展。

從解剖學上講，翼下肌肉的收縮會壓低甲殼蟲的翅膀后緣，從而增加翅膀的旋轉角和迎角，導致翅膀產生的推力減少和升力增加，這種變化可以改變身體角度。

于是，研究人員在甲殼蟲的翼下肌肉中植入電極，再讓它背上“電子背包”，將背包與電腦進行無線連接，就可以遠程發送指令，產生電刺激信號，作用于翼下肌肉，甲殼蟲就能乖乖地改變飛行方式。

在甲殼蟲的飛行實驗中，它們不受限制，可以在一個較大空間內自由飛行，研究人員在飛行環境中設置了3D運動捕捉系統和紅外線攝像機，用來自IMU和運動捕捉數據的反饋閉環控制回路進行飛行控制。

實驗結果證明：刺激單邊的翼下肌肉會讓機器甲殼蟲該測的俯仰角從5度增加到22度，側偏航角從2度逐漸增加到17度。同時，其水平加速度降低，垂直加速度增加，這表明機翼的阻力和升力的增加。

在論文的討論部分中，作者表示：自由飛行實驗中產生的數據記錄將提供肌肉激活模式和飛行機動的精確關聯，如果能夠將這些數據實施到反饋控制系統中，未來可以進一步實現機器昆蟲的自主飛行控制。

與那些純機械的系統相比，比如無人機，這種半機器半昆蟲的混合系統更容易控制，成本更低，而且不用擔心電池耗盡。

如果在機器甲蟲上部署一個小型麥克風或者熱傳感器等，它們就能在搜索和救援任務中發揮巨大的作用，可以安全地探索以前無法進入的區域，例如倒塌建筑物中的小角落和裂縫等。(科技日報記者 李禾)

(文中圖片和視頻均由《類生命系統》期刊編輯部提供)

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