自然界的“跳跃高手”：蓟跳甲启发科学家发明出燃爆推进系统！

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（来源：中国科普博览）

当一只猫从高处坠落，无论初始姿态多扭曲，着陆时总能稳稳地四肢着地——这一看似寻常的现象，早在19世纪就吸引了麦克斯韦等物理学家的目光。对生物而言，极端动态过程中的“姿态自主控制”，从来都不是花里花哨的炫技，而是关乎生存的核心能力。

在刺儿菜（Cirsium setosum）交错生长的草丛间，一种体长仅4毫米的小生物将这种能力推向了极致——它就是蓟跳甲（Altica cirsicola）。对体重约为4毫克的蓟跳甲来说，在复杂植物迷宫中精准着陆，是活下去的基础；而它那远超同行的跳跃技巧，理所应当地成为了科学家破解“动态控制”与“高效发力”的钥匙。

本文，让我们跟随中国科学院动物研究所葛斯琴团队、中山大学吴嘉宁团队，以及美国佐治亚理工学院David Hu教授团队的研究，一起探究蓟跳甲独特的跳跃方式，看看这只小甲虫如何为仿生机器人设计点亮全新方向。

蓟跳甲的寄主植物刺儿菜

（图片来源：参考文献[3]）

于人类而言，行走与奔跑就已经能够满足日常生活的绝大部分需求，但对大多数昆虫来说，跳跃则是应对风险的“刚需技能”。尤其对蓟跳甲而言，跳跃不仅是逃离天敌的“生死时速”，更是穿梭于蓟属植物丛的“快速通道”——毕竟，在枝叶交错的“迷宫”里，“跳”比“爬”更能快速找到食物、抵达安全区。

中国科学院动物研究所的研究数据，让这种“生存艺术”有了更直观震撼的表达：蓟跳甲的单次跳跃能量高达9500微焦，腿部施加的力量是其身体重量的233倍；更惊人的是，它能在30毫秒内完成从静止到离地的全过程——这个速度，相当于人类眨眼的瞬间，它们就可以完成十次跳跃。其动作之迅捷，仿佛就是“旋转跳跃，我闭着眼”这句歌词的真实写照。

一对正在交配的跳甲

（图片来源：参考文献[3]）

在自然界，跳跃的意义远不止“逃跑”：新生的汤氏瞪羚（Gazella thomsoni）会通过跳跃传递“需要保护”的信号；弹涂鱼借跳跃在泥滩与水体间高效往返，实现呼吸与觅食的平衡；而昆虫的跳跃，更是融合了“定向精准”“姿态稳定”与“能量节省”的三重智慧。显然，对体型微小的生物来说，“快速行动”是生存的核心需求，卓越的跳跃技能，正是老祖宗传承下来的“独门秘籍”。

人类对跳跃的认知，经历了一个漫长的过程。17世纪，伽利略通过斜面实验首次量化了运动的规律；19世纪，法国科学家马雷用连拍相机捕捉到猫下落时的空中转体——这些早期探索，让人类开始思考：生物如何在动态中控制自己的姿态？

数百年后的今天，新一代科学家站在前人的肩膀上，以更先进的工具继续探索这一谜题。葛斯琴团队用高速摄像技术，清晰解析出了蓟跳甲的三种跳跃模式：

（1）无翅模式：仅依靠腿部力量完成跳跃，后翅不展开。虫体在空中存在俯仰和翻滚，但旋转能仅占总动能的1.7%，几乎不影响前进方向。就像技艺精湛的体操运动员，即便完成空翻，也能精准落向目标点。

（2）展翅模式：起跳时展开后翅，以近似飞行的方式运动。空中姿态十分稳定，无翻滚现象，以“飞行+跳跃”相结合的方式运动。

（3）中间模式：跳跃前半程仅依靠腿部力量，后翅不展开；后半程展翅，并挥翅以稳定空中姿态。

蓟跳甲无翅跳跃至30度倾斜面

（图片来源：参考文献[3]）

乍一看，不同的跳跃模式似乎对应不同的环境条件（斜面的倾角），但事实并非如此，这是两个相互独立的事件。实验中有超过一半的蓟跳甲仅依赖一种跳跃模式，可谓是“一招鲜吃遍天”了。此外，不同跳跃模式的成功率也没有显著差异。更令人意外的是，翅膀展开并不会增大跳跃的最大高度——这可能是因为翅膀产生的升力被同时增加的阻力抵消了（参考文献[3]）。

c、d：中间型跳跃至50度倾斜面；e、f：有翅跳跃至90度垂直面。

（图片来源：参考文献[3]）

与猫咪的一次转体不同，蓟跳甲在空中会进行2-4次俯仰与翻滚，但这些旋转的功能仍不明确：它们的多次旋转可能有助于调整腿部姿态或视觉追踪目标，从而更充分地观察着陆环境。

说到猫咪，曾经的力学教材用“猫尾旋转”来解释猫的转体。结果，人们很快发现，无尾的猫同样可以完成转体，这一事实直接否定了该理论。更深入的计算分析显示，即便在有尾猫中，该机制也极不合理——在驱体完成翻转的半秒左右，猫尾必须反向挥动数十圈才能保持总动量矩为零（参考文献[1]），这显然是难以置信的！

蓟跳甲的三种跳跃模式虽截然不同，却共同构成了其应对复杂环境的生存策略。那么，若将视野放宽至整个自然界，这套策略又处于何种水平？

若在自然界举办一场“跳跃锦标赛”，蓟跳甲或许不是“绝对冠军”，但一定是“技术最全面的选手”。让我们看看几位“种子选手”的表现，便更能理解蓟跳甲的独特之处：

跳蚤：绝对的“爆发力王者”——跳跃距离能超过自身体长的100倍，猫蚤与人体蚤的立定跳跃高度可达33厘米。若按比例换算成人类身高，相当于1.7米的人跳出1700米（要知道，人类立定跳远世界纪录目前仅为3.71米，助跑跳远世界纪录也仅8.95米）。但“有得必有失”，跳蚤的跳跃更像“混沌态”——发力虽猛，却很难精准控制落点与姿态，一旦起跳，甚至连它自己也不知道会落在哪里。（参考文献[4]）。

蝗虫：靠后腿肌肉直接收缩发力，跳跃高度可达体长的15-30倍，但能量转化效率远低于蓟跳甲——相当于“用更多能量，跳更短的距离”（参考文献[2]）。

总的来看，跳蚤善爆发而失之精准，蝗虫耗能巨大却效率不高。相较之下，蓟跳甲却拥有精准、节能与稳定的全面能力，展现了演化中的生存智慧。

“师法自然”从来都是人类技术革新的核心灵感之一——从鸟类翅膀到飞机机翼，从蝙蝠的回声定位到雷达系统，自然的“生存智慧”总能不断为科技进步照亮前路。而蓟跳甲的跳跃模式，也启发了新的思路。

传统仿生跳跃机器人大多依赖弹簧储能或电机驱动——前者需要长时间“蓄力”，后者爆发力不足，很难兼顾“快速响应”与“高效发力”。但葛斯琴团队以蓟跳甲为生物模型，创新性地研发了一种燃爆推进系统。

该系统以99.5%纯度的丁烷与氧气混合气体作为“燃料”，通过火花塞点火瞬间释放能量——这种能量释放方式模拟了蓟跳甲腿部“瞬时发力”的特点。凭借这一设计，这款机器人实现了20厘米的垂直跳跃高度，相当于自身体长的1.67倍。

这种“燃爆推进+仿生设计”的融合策略，让机器人无需长时间储能，就能实现快速跳跃，为动态机器人在废墟救援、行星探测等复杂环境中的移动提供了新的解决路径。

跳跃机器人的实验图

（图片来源：参考文献[5]）

“风起于青萍之末，浪成于微澜之间”。燃爆推进的跳跃机器人首次起跳虽然不过20厘米，但人类正在用科学的方式，将生物的生存智慧转化为全新的技术。

未来某一天，当这些“钢铁甲虫”快速灵巧地掠过火星尘埃，在陌生星球的复杂地形中完成探测任务时，我们或许会想起：最初的灵感，来自夏日里那只跃向蓟叶的小小跳甲——它教会我们的，不仅是“如何跳跃”，更是在毫厘之间的草丛，望向浩瀚星空的想象力。

参考文献：

[1]刘延柱. 自由下落猫的转体运动[J]. 力学学报, 1982(4): 388-393

[2] 熊勇刚, 彭未来, 熊凯旋, et.al. 蚱蜢仿生机器人腿部结构分析与设计[J/OL]. 科技与创新, 2018(23): 1-5.

[3]ZONG L, WU J, YANG P, et.al. Jumping of flea beetles onto inclined platforms[J/OL]. Journal of Comparative Physiology A, 2023, 209(2): 253-263.

[4] ROTHSCHILD M, SCHLEIN Y, PARKER K, et.al. The Flying Leap of the Flea[J/OL]. Scientific American, 1973, 229(5): 92-100. DOI:10.1038/scientificamerican1173-92.

[5] SUN Z, ZHANG T, ZONG L, et.al. A Flea Beetle-Inspired Combustion-Powered Jumping Robot[J/OL]. Journal of Bionic Engineering, 2025, 22(4): 1622-1636.

出品：科普中国

作者：张应超（生态学硕士）