Science重磅：1毫克机器人偷师水虫，伯克利等破解毫秒变形密码

水面上有一种神奇的小虫子，它能在50毫秒内完成96度急转弯，速度达到每秒120个身长！这种叫波纹蝽（Rhagovelia）的水生昆虫，身长只有几毫米，却能在湍急的溪流中如履平地。它的秘密武器是什么？

加州大学伯克利分校的Victor M. Ortega-Jimenez教授联合佐治亚理工学院和韩国亚洲大学的研究团队，终于揭开了这个谜底。他们还根据这个发现，造出了一个仅重1毫克的仿生机器人"Rhagobot"，成功复刻了小虫子的超能力。

这项研究发表在顶级期刊《Science》上，题为"Ultrafast elastocapillary fans control agile maneuvering in ripple bugs and robots"。

水面机动的关键：自适应扇形结构

波纹蝽最厉害的地方，在于它中间那对腿末端长着的一把特殊"羽毛扇"。

这把扇子有个逆天的功能：完全不需要肌肉控制，纯靠水的表面张力就能自动开合！

研究人员用扫描电镜仔细观察后发现，这个扇子由多片扁平丝带状的"小羽枝"（barbules）和"羽支"（barbs）组成，每根上面还有倒钩相互连接。整个结构既柔韧又坚固，简直是大自然的精妙设计。

当扇子接触水面时，会在不到10毫秒内自动展开——比你眨眼还快10倍！而当它离开水面时，又能在同样的时间内迅速收起。

研究人员做了个有趣的实验来验证这一点：他们把扇子从虫子身上剪下来，用一根人类的头发挑到水滴里。结果显示，不需要任何肌肉参与，扇子仅靠毛细力就能瞬间张开。离开水滴后，又自动收了回去。

这种"自适应"能力带来了巨大优势：划水时扇子展开，形成巨大的受力面积，产生强劲推力；收腿时扇子自动折叠，大幅减少水阻。

更有意思的是，波纹蝽在不同场景下使用扇子的方式也不同。在水面划行时，扇子接触水面瞬间展开，保持约50毫秒用于推进，收腿时快速闭合。而在水下游泳时，扇子往往保持部分展开状态，通过爪部肌肉精确控制开合程度。

这种被动自适应+主动控制"的组合，让小虫子在复杂水环境中游刃有余。

仿生机器人的诞生

受到波纹蝽的启发，研究团队决定打造一款仿生"微型风扇"。

这个人工扇子长10毫米、宽5毫米、重约1毫克，由21条扁平丝带状叶片组成，采用16微米厚的聚酰亚胺薄膜制成，基本就是波纹蝽扇子的放大版。

神奇的是，它完美复刻了原版的自动变形能力——入水自动展开，离水自动收起，完全不需要额外电机或复杂机构，仅靠水的表面张力驱动。

研究团队通过精确的物理建模发现，扁平丝带状结构是关键。这种形状在两个正交方向上具有不同的刚度：围绕y轴（垂直于丝带平面）容易弯曲，便于毛细力驱动的折叠；围绕z轴（平行于丝带平面）刚度很高，能抵抗水流产生的阻力。

通过优化厚度和宽度参数，他们找到了最佳平衡点：厚度16.3微米能确保弹性毛细折叠，宽度0.3毫米能最大化阻力同时保持可折叠性。相比之下，圆柱形结构在相同条件下会产生70%的变形，大大降低推进效率。

研究团队将这个仿生扇子装在了自制的微型机器人"Rhagobot"上。这个机器人重0.23克，使用4个轻量级形状记忆合金驱动器控制腿部运动，可以实现推进、转向、制动等各种动作。

实验结果显示：装了扇子的机器人速度提升60%，转向能力提升41%，平均速度达到12.14厘米/秒，最高速度16.16厘米/秒。更厉害的是，它能实现原地旋转，最大转速达到每秒206度！

流场分析表明，扇子让水流速度提高33%，漩涡强度提升24%。这意味着扇子大大提高了推进效率。

背后的流体力学奥秘

波纹蝽的机动性简直逆天。它的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速度。

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。高速摄像和流体可视化实验显示，扇子划过的水流会形成一串漩涡，类似"卡门涡街"，帮助它在湍流中实现急停和转向。

研究人员计算发现，体重2.1毫克的波纹蝽在运动中能施加26微牛的力，产生4.5×10⁻⁷千克·米/秒的动量。转向时产生的涡旋涡量高达100/秒，流速达2厘米/秒。

为了验证扇子的作用，研究人员还做了对比实验：用胶水把一些波纹蝽的扇子粘死，然后观察它们的运动表现。结果显示，扇子被粘死的虫子推进力和转向角度都显著下降，配有完整扇子的腿产生的水流速度是失活扇子腿的两倍

能效方面的表现同样惊人。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。装有扇子的Rhagobot动能输出达到3.01微焦，而没有扇子的仅为1.91微焦。

与传统的半水生机器人相比，这种设计展现了显著的优势。大型机器人通常使用笨重的刚性桨叶，小型机器人则依赖细长的疏水腿或被动摆动的挡板，都存在各自的局限性。而这种仿生扇子既能在水下保持大面积产生推力，又能在收回时避免减速，在小尺度下实现了效率和灵活性的完美平衡。

研究团队提出了一个全新概念——"界面智能"（interfacial intelligence）。通过巧妙的结构设计和物理机制的耦合，实现无需额外驱动的快速可逆变形。

这项研究不仅为理解生物运动提供了新视角，也为微型机器人设计开辟了新思路。未来，这类仿生微型扇子可能应用在水面巡检机器人、环境监测设备、仿生无人机以及水陆两栖机器人等领域。