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为探究昆虫翅膀柔韧性的作用，研究人员以大斑蝽（Batocera rufomaculata）为对象，发现其可提升旋转翅膀空气动力学性能，意义重大。
在昆虫的奇妙世界里，飞行是它们生存和繁衍的关键技能。昆虫翅膀虽薄，却能在飞行时承受各种复杂的力，发生显著变形。受昆虫启发的微型飞行器也采用了柔性翅膀，希望借此获得更好的飞行性能。然而，关于翅膀柔韧性对飞行空气动力学的影响，科学界一直存在争议。有些研究表明柔性翅膀能提升性能，而有些则得出相反结论。并且，真实昆虫翅膀的流固耦合（FSI，Fluid-Structure Interaction）细节，因其复杂的机械特性和解剖结构，远比机械或计算模型难以捉摸。
在这样的背景下，来自以色列特拉维夫大学和美国海岸卡罗莱纳大学的研究人员，针对大斑蝽（Batocera rufomaculata）展开了深入研究。该研究成果发表在《iScience》杂志上，为我们理解昆虫翅膀的奥秘带来了新的曙光。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：
- 旋转翅膀实验装置：利用直流电机带动大斑蝽翅膀在水平面上旋转，通过力传感器测量垂直力，进而计算升力系数（CL），以此评估翅膀的空气动力学性能。
- 静态弯曲测试：将翅膀根部固定，测量使翅膀特定位置产生一定位移所需的力，从而确定翅膀的弯曲刚度，探究翅膀柔韧性与尺寸的关系。
- 微型计算机断层扫描（μCT）：扫描不同大小的翅膀，测量翼脉的直径和壁厚，分析翼脉结构对翅膀机械性能的影响。
- 粒子图像测速技术（PIV）：用于研究旋转翅膀下方的流场，测量速度、涡度和湍动能等参数，揭示翅膀与流体的相互作用。
研究结果如下：
- 空气动力学性能与翅膀大小和罗斯比数（Ro，Rossby number）的关系：研究人员对比了 3D 打印的刚性翅膀和真实大斑蝽翅膀的空气动力学性能。刚性翅膀的CL随 Ro 增大而降低，而真实大斑蝽翅膀（3.5≤R≤5.7cm）的CL与翅膀大小（R）或 Ro 无明显关系，且其CP（功率系数，Power Coefficient）也与 Ro 无关。这表明真实昆虫翅膀因其柔韧性，并非遵循与刚性翅膀相同的几何缩放规则。
- 翅膀柔韧性的缩放：通过测量旋转过程中翅膀后缘三个标记点的变形，发现较小的翅膀在相同气流条件下，相比大翅膀会产生更大的变形。静态弯曲测试显示，大斑蝽翅膀的弯曲刚度随翅膀长度的 4.3 次方增长，远高于理论值，且浸泡水后的翅膀刚度虽降低，但缩放指数与干翅膀无显著差异。
- 翼脉横截面：μCT 扫描结果表明，大翅膀的翼脉在翼面内的直径和壁厚增加，垂直于翼膜方向的直径增长较慢，壁厚基本不变。这使得小翅膀的翼脉横截面更接近圆形，大翅膀的则为椭圆形，且长轴平行于翼膜，这种结构差异解释了大翅膀刚度更高的原因。
- 翅膀 - 流体相互作用：PIV 测量结果显示，在不同攻角（AoA，Angle of Attack）下，旋转翅膀下方的流场呈现不同特征。攻角为20°时，涡度和湍动能较高；攻角为30°时，中心低速区域变小，流场可能处于过渡阶段；攻角为40°时，流场特征有所变化，且翅膀变形可能影响了流场动力学。
研究结论和讨论部分指出，大斑蝽的柔性翅膀避免了刚性翅膀因 Ro 增大导致的CL下降。其机制是翅膀的弯曲刚度随长度增加的速度比几何相似性预期的更快，这源于翼脉直径的非等距生长，使得小翅膀在相似条件下变形更大。这些变形随 AoA 增加而增大，在 AoA≥40°时尤为显著。虽然实验装置无法直接描述翅膀柔韧性相关的 FSI，但翅膀下方的流场观测表明，AoA>30°时翅膀的变形能维持其在高 AoA 下的空气动力学性能，可能是通过被动变形延缓了气流分离。这一研究揭示了昆虫翅膀作为 “智能” 结构，通过操纵复杂的 FSI 提升空气动力学性能，且这种操纵是由翅膀的机械特性被动实现，无需神经系统控制。这不仅深化了我们对昆虫飞行的理解，也为微型飞行器的设计提供了新的灵感和理论依据。
