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【Telegram中文版】昆虫飞行角度由什么肌肉控制?南洋理工大学研究有了新发现【Telegram中文官网】

科技日报记者 李禾

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如果看到虫子,先别急着拿拖鞋打,因为那可能是一只被改造过的“机器昆虫”。

昆虫飞行角度由什么肌肉控制?南洋理工大学研究有了新发现

昆虫拥有令人惊叹的运动、弹跳和飞行能力,许多科学家从昆虫的生理机制中汲取灵感,已经开发出不少仿生机器人,例如Festo的蝴蝶机器人、仿生蚂蚁等。这些仿生机器人致力于模仿动物的生理机制,但其实还有一种更高效的方式,那就是直接以生物为基础打造机器人。

新加坡南洋理工大学的团队早在2015年就对“半机器半昆虫”进行研究,研发出了世界上最小的机器昆虫。他们给活体甲壳虫背上“电子背包”,通过刺激甲壳虫的触须或肌肉控制它们行走或飞行,并且不会影响昆虫的寿命。

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然而,完全控制甲虫飞行并不是易事,需要激活多个飞行肌肉的能力。南洋理工大学和德国弗莱堡大学近期在期刊《类生命系统》(Cyborg and Bionic Systems)发表了最新研究,证明了甲壳虫的下肌肉对于飞行时的俯仰和偏航、翅膀的阻力与升力等具有关键作用,这个发现可以让机器甲壳虫的飞行具有更复杂的机动性,例如悬停、栖息和扫视

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研究人员使用了一种大型的花甲虫,即乌干达角金龟作为实验对象,它具有敏捷的飞行能力,坚固的硬壳可保护自己免受碰撞,也能承受“电子背包”的负载。

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“电子背包”由一个小型的微控制器、九轴IMU、接收和发送器组成,微型I/O接头可以连接电极,整个设备由微型锂电池供电,IMU用于测量方向和运动。这个背包重1.6g左右,几乎不会影响甲壳虫的飞行速度。

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在飞行中,甲壳虫主要使用三种肌肉来控制翅膀的运动学:基底、翼下和第三腋下巩膜 (3Ax) 肌肉。在之前的研究中,通过刺激甲壳虫的基底肌肉和3Ax肌肉,已经实现了对甲壳虫转向控制,但对翼下肌肉的研究尚未开展。

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从解剖学上讲,翼下肌肉的收缩会压低甲壳虫的翅膀后缘,从而增加翅膀的旋转角和迎角,导致翅膀产生的推力减少和升力增加,这种变化可以改变身体角度。

于是,研究人员在甲壳虫的翼下肌肉中植入电极,再让它背上“电子背包”,将背包与电脑进行无线连接,就可以远程发送指令,产生电刺激信号,作用于翼下肌肉,甲壳虫就能乖乖地改变飞行方式。

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在甲壳虫的飞行实验中,它们不受限制,可以在一个较大空间内自由飞行,研究人员在飞行环境中设置了3D运动捕捉系统和红外线摄像机,用来自IMU和运动捕捉数据的反馈闭环控制回路进行飞行控制。

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实验结果证明:刺激单边的翼下肌肉会让机器甲壳虫该测的俯仰角从5度增加到22度,侧偏航角从2度逐渐增加到17度。同时,其水平加速度降低,垂直加速度增加,这表明机翼的阻力和升力的增加。

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在论文的讨论部分中,作者表示:自由飞行实验中产生的数据记录将提供肌肉激活模式和飞行机动的精确关联,如果能够将这些数据实施到反馈控制系统中,未来可以进一步实现机器昆虫的自主飞行控制。

与那些纯机械的系统相比,比如无人机,这种半机器半昆虫的混合系统更容易控制,成本更低,而且不用担心电池耗尽。

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如果在机器甲虫上部署一个小型麦克风或者热传感器等,它们就能在搜索和救援任务中发挥巨大的作用,可以安全地探索以前无法进入的区域,例如倒塌建筑物中的小角落和裂缝等。

(文中图片和视频均由《类生命系统》期刊编辑部提供)