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在自然界中，有一类叫作“波纹蝽”（Ripple bugs, 学名 Rhagovelia）的小水生昆虫，它们身长仅几毫米，却能在湍急的溪流中灵活转弯、极速前进。科学家们一直好奇：这些小虫是如何在瞬息万变的水面上保持敏捷动作的？传统的仿生机器人虽然能模仿水黾滑行，却往往受限于推进方式，要么需要笨重的“划桨”，要么只能依赖细长的疏水腿，缺乏灵活性和爆发力。这让研究人员面临一个难题：如何在小尺度的水面机器人上实现既轻便又高效的推进系统？

在此，加州大学伯克利分校Victor M. Ortega-Jimenez教授联合佐治亚理工学院Saad Bhaml教授和韩国亚洲大学的Je-Sung Koh教授发现，波纹蝽依靠中足末端一个特殊的“扇子”——由扁平带状结构组成的弹性扇（elastocapillary fan），实现了惊人的运动表现：50毫秒内即可完成接近直角（96°）转弯，前进速度达到每秒120个身长，与果蝇空中急转弯的速度不相上下。更令人兴奋的是，作者借鉴这一结构，打造出重约1毫克的仿生“自变形小风扇”，并将其装载到昆虫级机器人“Rhagobot”上，成功验证了其在推进、刹车和转向上的巨大优势。这项研究为未来的半水生微型机器人提供了全新的设计思路。相关成果以“Ultrafast elastocapillary fans control agile maneuvering in ripple bugs and robots”为题发表在《Science》上，第一作者为Victor M. Ortega-Jimenez教授，Dongjin Kim为共同一作。

波纹蝽的秘密武器，行走与游泳的两种模式

如果仔细观察波纹蝽的中足，就会发现末端长着一把“羽毛扇”。这把扇子并不是依靠肌肉驱动，而是凭借水的表面张力实现快速开合。当脚掌触水时，扇叶在不足10毫秒内张开，形成巨大的受力面积；一旦离开水面，扇叶又能在同样的时间内迅速闭合（图1a）。这种巧妙的“自适应”能力，使它既能在划水时提供强大推力，又能在收腿时减少阻力。显微镜下，扇子由一根根扁平丝带状的“小羽枝”构成（图1c），正是这种几何结构赋予了它独特的弹性和刚度。研究人员甚至做了一个有趣的实验：把扇子切下来，用人类的头发挑到水滴中。结果显示，不需要任何肌肉参与，扇叶仅靠毛细力就能瞬间张开或闭合（图1d、图1e），堪称天然的“超快毛细自驱动器”。

在水面上，波纹蝽的划水动作十分高效。当它准备前进时，扇子接触水面，立刻张开并保持整个划水过程（约50毫秒），直到收腿时快速闭合（图1g-i）。而在水下游泳时，情况略有不同：由于需要与水完全接触，扇叶往往无法完全闭合，仍保持部分张开状态（图1j-l）。这表明，波纹蝽的扇子既有“被动自适应”的一面（依赖毛细力自动展开/收起），也能通过爪部肌肉实现“主动控制”，两者相结合，为它在复杂水环境中的灵活机动提供了保障。

图1：波纹蝽扇子的微观结构及其在水滴中和划水过程中的超快开合动态

仿生小风扇

受到启发，研究团队设计了一款人工“微型风扇”，并将其装在机器人 Rhagobot 的中足上。这个仿生风扇长10毫米、重约1毫克，由21条扁平丝带状叶片组成，外形几乎是波纹蝽扇子的放大版（图2a-b）。当它入水时自动展开，离水时又能快速闭合（图2e）。整个过程完全不需要额外电机或复杂机构，仅靠水的表面张力驱动。这种“自展开—自闭合”的能力带来两大优势：一是划水时叶片展开，能最大限度抵抗变形，产生强劲推力（图2g）；二是收腿时叶片自动折叠，减少水阻，大幅节省能量（图2f）。相比圆柱形叶片，扁平丝带状叶片能更好地兼顾“刚度”与“柔韧”，在动力和灵活性上实现了理想平衡（图2h-k）。

图2：仿生人工风扇的设计与工作原理，展示了其在水中展开、离水收拢的过程。

小虫的急转弯与水流涡旋

波纹蝽的机动性令人叹为观止。它们能在50毫秒内完成近直角转向，峰值角速度高达每秒4200度，这几乎等同于果蝇在空中的急转弯（图3a-f）。其秘诀在于巧妙利用“非对称刹车”：当一条腿的扇子用力刹水时，身体就会迅速朝那一侧转向。高速摄像与流体可视化实验显示，扇子划出的水流会形成一串漩涡，类似“卡门涡街”，帮助它在湍流中急停、转向（图3f-h）。如果扇子被粘死（实验中用胶水处理），波纹蝽的推进力和转向角度会显著下降（图3m-n），再次印证了扇子的关键作用。

图3：波纹蝽的转弯与流体动力学表现，包括涡旋生成和扇子受损对运动的影响。

机器人验证：有扇和无扇的差别

为了验证仿生扇子的效果，研究团队对比了两种Rhagobot：一种仅靠疏水腿划行，另一种配备人工风扇。结果显示，同样的驱动力输入下，装有扇子的机器人前进得更快、转弯更灵活（图4d-e）。流场分析表明，风扇能让水流速度提高33%，漩涡强度提升24%（图4f）。这意味着，扇子大大提高了推进效率。进一步测试发现，风扇还能帮助机器人在运动中“刹车”和“急转弯”，甚至能实现原地旋转，最大转速可达每秒206度（图4k-l）。

图4：机器人Rhagobot的控制与性能对比，显示有无扇子在前进、转弯、速度上的差异

能量效率与小尺度优势

除了速度和灵活性，能效也是关键。实验表明，仿生扇子的可折叠性让机器人抬腿出水时所需能量降低了90%以上（图5a-c）。换句话说，它不仅跑得快，还更省力。最终，装有风扇的 Rhagobot 动能输出达到3.01 μJ，而没有扇子的仅为1.91 μJ（图5d）。与以往依赖刚性桨叶或疏水腿的半水生机器人相比，这种仿生“毛细小风扇”在小尺度下展现了前所未有的优势（图5e-f）。

图5：不同推进结构的能耗对比，证明可折叠仿生风扇在小尺度下的能量与速度优势。

总结与展望

这项研究揭示了一个耐人寻味的事实：在水面这种特殊的界面环境中，自然界的小昆虫通过极简的几何设计和物理机制，达成了堪比飞行的灵活机动。研究团队提出的“界面智能”（interfacial intelligence）理念，强调通过结构和毛细力的耦合，实现无需额外驱动的快速可逆变形。这不仅为我们理解生物运动提供了新视角，也为微型半水生机器人的设计打开了新思路。未来，这类仿生小风扇或许能应用在水面巡检机器人、环境监测微型设备，甚至在仿生无人机与水陆两栖机器人中发挥作用。

来源：高分子科学前沿

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