在透明的圆管中,一只七星瓢虫正做着自由落体运动。它从半米高的地方被人丢了下去,肚皮朝天,六条细腿在空中摆动。很快,这个还不知道发生了什么的小家伙背部重重地撞上了坚硬的地面。它被再次弹到空中,在冲击之下连续翻腾,转体了足有四五周。不过,这突如其来的跌落并没有造成任何伤害:站稳后,瓢虫立即若无其事地爬行了起来,看起来毫发无损。与此同时,两台高速摄影机记录下了瓢虫下落弹跳的全过程。
在实验室里,20只被试瓢虫就这样被扔了60次。
其实,这是一项仿生学研究,科学家们正在向瓢虫学习它们“无伤落地”的诀窍。尽管在实验中是被人扔下去,但从高处跌落其实是瓢虫的日常——在遇到威胁时,它们常会装死,并主动从树叶上滚落逃走。即使把下落高度从半米提升到两米,跌落的冲击依然不会对瓢虫造成什么影响。
瓢虫不怕摔的秘诀在于它们背部的鞘翅——就是那层有着漂亮斑点的半圆形保护壳。
研究发现,无论以何种姿势下落,瓢虫们总是会调整自己的身体,尽可能以背部着地。这样一来,率先着地的鞘翅就能充分吸收下落冲击,避免对身体的脆弱部分造成损伤。鞘翅不仅保护着瓢虫的内层翅膀,也在坠落时起到吸收冲击的作用。甲虫的鞘翅由几丁质微纤维和蛋白质层层加固而成,巧妙的微结构使得它具有出色的强度和能量吸收性能。
而此次中山大学吴嘉宁研究组发现,鞘翅间的“榫卯结构”也起了重要的作用——当它被摔开时,能够进一步吸收冲击,减少瓢虫的反弹速度。
扫描电子显微镜与显微CT结果显示,瓢虫的左右两片鞘翅中间存在着类似榫卯的连接结构,这一结构可以将鞘翅牢固地扣在一起。而在收到下落冲击时,这一锁扣可以被打开。实验与计算机模拟结果都显示,当榫卯连接被打开时,鞘翅吸收冲击的效果最佳——此时能量吸收可以增加33%。
仿照瓢虫可以打开的鞘翅,研究者们又设计制作了人工的吸收冲击结构,并把它们应用到了无人机上。无人机在灾难搜救、影视拍摄、地形测绘等很多领域已经广泛应用,不过它们有时仍面临无法平稳着陆的问题,坠落时的冲击容易损坏无人机内部精密的电子元件。而瓢虫的鞘翅正好为解决这一问题提供了灵感。研究者3D打印制作了基于鞘翅的仿生结构,将它们安装在无人机的下方,并在26厘米的高度让无人机自由下落,测试抗冲击效果。
结果显示,可以在冲击下打开的结构也能成功减少无人机受到的冲击,减少它们的反弹高度,让无人机更快平稳下来。而这一切,都要首先感谢总共被扔了60次的被试瓢虫们了。