蝗虫如何上天入水？——浙工大宋逸/吴化平《PNAS》发表仿生水面运动机器人研究成果
蝗虫因其独特的地面运动能力和飞行能力而闻名，已经成为仿生机器人研究中重要的灵感来源。浙江工业大学机械工程学院宋逸校聘副研究员、吴化平教授与南京航空航天大学戴振东教授、吉爱红教授和基尔大学Gorb SN教授等人合作的最新研究表明，中华稻蝗这种昆虫除了人们所熟知的地面跳跃能力和飞行能力外，还能够在水面游动与跳跃，展示了独特的水-陆-空多栖多模态运动能力。受中华稻蝗的结构-行为原理启发，宋逸等人研制了一种仿生多足水面机器人，成功实现了游动、跳跃等多种形式的水面运动。相关成果以“Multiple forces facilitate the aquatic acrobatics of grasshopper and bioinspired robot” 为题于2024年3月发表在国际顶级期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）上，获得相关领域专家学者的高度认可。
研究人员首先对中华稻蝗的水面游动和跳跃行为进行了研究，通过利用高速摄像机对蝗虫进行观察，揭示了蝗虫在水面运动时各肢体的运动行为规律（图1）。研究发现，蝗虫在水面运动时各肢体的行为规律与水黾等动物截然不同。蝗虫在水面游动时，它们的前肢首先向前并拢，约20ms后中肢向后滑动，约46ms后后肢的胫节以8°/ms的角速度交替向后下方划水，最大速度为21cm/s。而当它们在水面上跳跃时，前肢和中肢几乎同时向后下方划水将身体抬高，约30ms后后肢胫节以高达20°/ms的角速度同时向后下方划水将身体从水面弹出，最大速度达到110cm/s。
图1 蝗虫水面运动行为研究
基于上述行为研究结果，研究人员进一步对蝗虫与水体之间的相互作用力进行了分析（图2）。与水黾等动物利用表面张力在水面上运动以及蛇怪蜥蜴利用肢体扑水产生的流体动力来在水面上运动不同，蝗虫在水面上的运动涉及多种力，除主要的流体阻力外，还包括浮力、附加质量力和表面张力等。得益于各肢体间的协同作用，蝗虫在跳跃模式中能够在前后方向和竖直方向上分别产生约7.79 mN·s和3.62 mN·s的冲量来将它们从水中弹出；在游动模式中在前后方向和竖直方向分别产生约1.40 mN·s和0.78 mN·s的冲量，只能向前推动身体，无法从水中跃出。
图2 蝗虫水面运动时各肢体与水体的相互作用力和冲量
对仿生原型动物的研究结果表明，蝗虫的分布式肢体为其水面运动奠定了结构基础，而以流体阻力为主的“肢-液”相互作用及各肢体之间的协同作用是它们获得运动驱动力的关键。
受中华稻蝗启发，研究人员在深入理解蝗虫的结构特征、肢体调控策略和运动力学规律后凝练仿生设计准则，进一步研制了一种仿蝗虫多足水面机器人。该机器人肢体由碳纤维薄板制成，躯干由碳纤维薄片和泡沫板复合结构制成，还设计了专门的气驱动触发机构来调控各肢体的动作。根据需求，机器人的各肢体能够以不同时序和不同强度的动作，最终实现了包括游动、向前跳跃、向上跳跃、向后跳跃等多种形式的水面运动（图3）。
该机器人的成功不仅证明了从蝗虫中习得的仿生设计方法的有效性，为进一步研制更高性能的水面机器人及跨介质多栖运动机器人奠定了基础；同时，该机器人也将为进一步反演动物的结构-行为规律、认识生命过程提供有力的工程学支持。
图3 仿蝗虫多足机器人在水面以不同形式运动
浙江工业大学机械工程学院宋逸校聘副研究员为本文第一作者，吴化平教授和德国基尔大学 Gorb S N 教授为共同通讯作者，浙江工业大学为论文第一单位，南京航空航天大学和基尔大学为合作单位。该研究得到了国家自然科学基金（32101119、11972323）和浙江省科学技术厅“尖兵”“领雁”项目（2023C01051）的经费资助。
原文信息
Yi Song, Huan Wang, Zhendong Dai, Aihong Ji, Huaping Wu*, Stanislav N. Gorb*. Multiple forces facilitate the aquatic acrobatics of grasshopper and bioinspired robot. PNAS, 2024, 121, e2313305121. https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2313305121
期刊简介
PNAS是《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）缩写，是公认的世界四大名刊（Cell，Nature，Science，PNAS）之一。PNAS创刊于1914年，拥有超过百年的办刊历史，有着很高的国际声誉。PNAS发表的文章涵盖研究领域包括：医学、生物、化学、物理、环境生态、社会科学等，是被引用次数最多的综合性期刊之一。
期刊网址
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学者介绍
ZJUT
宋逸
浙江工业大学机械工程学院校聘副研究员，工学博士。2017年10月至2019年4月在加州大学（伯克利）Full Robert 院士实验室开展访问研究，2020年博士毕业于南京航空航天大学，同年进入南京航空航天大学开展博士后研究（合作导师为国际仿生工程学会Fellow戴振东教授及南京航空航天大学客座教授、基尔大学教授、欧洲科学院院士Gorb Stanislav）。2022年11月进入浙江工业大学工作，主要从事运动仿生学、力传感技术等方面的研究，获得国家自然基金、中国博士后基金等项目资助。在PANS、P Roy Soc B、Friction 、Iscience、Bioinspir& Biomim、JBE等知名学术期刊上发表SCI论文20余篇，授权发明专利近10项。
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吴化平
浙江工业大学教授，博士生导师，浙江工业大学余杭智能制造与技术研究院副院长，高端激光制造装备省部共建协同创新中心专职副主任。2009年博士毕业于哈尔滨工业大学，同年进入浙江工业大学工作。主要从事仿生智能机械、柔性电子器件、多功能传感器、智能感知与软体机器人方面的研究工作。目前担任浙江省力学学会理事，获浙江省杰出青年基金项目支持。共主持国家自然科学基金5项，在PNAS、Advanced Functional Materials、Nature communications、npj Flexible Electronics、ACS Nano、Nano Energy、APL、Soft Matter、Langmuir、JMPS等学术知名期刊上发表SCI收录论文100余篇，授权发明专利20余项。曾荣获全国徐芝纶力学优秀教师奖、入选“浙江省高校领军人才培养计划”、高等学校“院士结对培养青年英才计划”（结对导师中国科学院院士陈云敏教授）、浙江省“新世纪151人才工程”、浙江省高校中青年学科带头人。
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