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研究人员为探究节肢动物股骨 - 胫骨关节，分析了四类节肢动物该关节结构，明确多种类型，对机器人肢体设计有重要意义。
在奇妙的动物世界里，节肢动物是个庞大且神奇的家族，它们凭借独特的肢体构造和运动方式，几乎征服了地球上的各种环境。从在水中敏捷游动的虾蟹，到在陆地上快速穿梭的昆虫，再到悄无声息爬行的蜘蛛，节肢动物的肢体在其生存繁衍中起着关键作用。然而，尽管节肢动物肢体的比较外部形态学研究相对成熟，但关于它们腿关节的奥秘，尤其是股骨 - 胫骨关节（femoro - tibial joint，在不同节肢动物类群中有不同的对应关节，如甲壳类的 merus - carpus 关节、蛛形纲的 femur - patella 关节 ），却还存在许多未知。以往的研究大多只是对腿关节进行概括性描述，对于其详细结构、生物力学特性以及功能设计等方面，了解还十分有限。但这个小小的关节却意义重大，它不仅决定着节肢动物的运动能力，还对其生存和适应环境起着关键作用。因此，深入研究节肢动物的股骨 - 胫骨关节，揭示其结构与功能的奥秘，显得尤为重要。
为了揭开这些谜团，来自德国基尔大学（Christian - Albrechts University of Kiel）功能形态学和生物力学系的 Konstantin Nadein 和 Stanislav Gorb 等研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Zoomorphology》杂志上，为我们理解节肢动物的运动机制以及仿生机器人的设计提供了重要的线索。
研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先是扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy，SEM），利用它在 3kV 条件下对标本进行观察，能清晰呈现关节的微观结构；其次是微计算机断层扫描（Micro - computed X - ray tomography，micro - CT），在 40 kV 和 250 μA 的参数下对干制或新鲜的腿部进行扫描，通过数据重建和体积重建，从多角度观察关节内部结构；此外，还运用了光学显微镜（Light microscopy）获取腿部及其部分的图像，以及 3D 打印技术制作昆虫腿部关节和仿生腿部模型，直观展示关节结构和运动原理。
下面让我们一起来看看具体的研究结果：
- 节肢动物主要类群中 “股骨 - 胫骨” 关节的结构：研究人员选取了多足纲（Myriapoda，以少棘蜈蚣 Scolopendra subspinipes 为代表 ）、螯肢亚门（Chelicerata，以巴西游走蛛 Cupiennius salei 为代表 ）、甲壳纲（Crustacea，以德氏地蟹 Geosesarma dennerle 为代表 ）和六足亚门 / 昆虫纲（Hexapoda/Insecta，以长戟大兜虫 Sungaya inexpectata 和阿根廷木蠊 Blaptica dubia 为代表 ）的代表物种，对其 “股骨 - 胫骨” 关节进行研究。发现不同类群关节结构差异明显，如多足纲的股骨和胫骨通过膜相连，关节位于背侧；螯肢亚门的关节在股骨和髌骨之间，连接方式独特；甲壳纲的 merus 和 carpus 关节结构复杂；昆虫纲的关节有特殊的韧带连接结构。
- “股骨 - 胫骨” 关节的构建原理：运用类似逆向工程的方法，研究人员发现节肢动物腿的股骨 - 胫骨关节可看作连接两个 “空心管”（对应股骨和胫骨）的结构。由于一系列解剖学和生理学条件的限制，节肢动物的股骨 - 胫骨关节形成了不同类型。在多足纲和螯肢亚门中，由于缺乏对抗肌，采用背侧的旋转关节（revolute joint，类似铰链），关节的屈伸由液压原理和肌肉分别控制；而在甲壳纲和六足亚门中，存在对抗肌，采用间接铰链（indirect hinge）或悬浮关节（suspended joint），通过弹性韧带连接关节结构，这种关节无法归类为传统的旋转关节 。此外，研究还发现了一些特殊的关节变化，如部分甲虫（Coleoptera）的关节出现了独特的形态改变，以适应更大的力负载需求。
- 步行腿的功能设计和 “股骨 - 胫骨” 关节的作用：在昆虫和多足纲动物中，“股骨 - 胫骨” 关节及其功能类似物在甲壳纲和蛛形纲中起着支撑身体和推动身体前进的重要作用。不同类群的腿部结构和关节功能有所差异，昆虫的步行腿呈角状，股骨和胫骨长度相近，有利于快速运动；甲壳纲的腿与昆虫类似，也呈角状，功能相似；螯肢亚门的腿呈弓形，有两个关键关节共同承担支撑和推进功能；多足纲的腿主要起支撑作用，通常呈拱形。但在一些特殊情况下，如蚰蜒，为了提高运动速度，其腿部结构会发生变化，类似昆虫的角状腿。
- “股骨 - 胫骨” 关节的主要设计：节肢动物的 “股骨 - 胫骨” 关节主要有旋转关节（或铰链）和间接铰链（悬浮关节）两种类型。在多足纲和蛛形纲中，关节为旋转关节，位于背侧，由屈肌控制关节弯曲，伸肌通过增加血淋巴压力实现关节伸展，该关节为 3 类杠杆，运动速度快。在甲壳纲和昆虫纲中，关节为间接铰链，通过弹性韧带间接连接，有对抗肌控制屈伸，存在 1 类和 3 类杠杆，分别用于腿部伸展和弯曲，具有不同的力学优势。
- 节肢动物腿关节作为仿生设计的来源：昆虫和甲壳纲动物腿关节的间接或悬浮关节结构，为仿生设计提供了灵感。研究人员制作的机器人腿部关节模型，能准确再现自然关节的关键结构，且具有无摩擦、可靠性高、使用寿命长等优点，有望应用于小型步行机器人或微型抓取器的设计。
综上所述，研究人员通过对不同节肢动物类群 “股骨 - 胫骨” 关节的深入研究，揭示了其结构、功能和运动机制的多样性，以及在生物进化过程中的适应性变化。这些发现不仅有助于我们更深入地理解节肢动物的生物学特性，还为仿生机器人的设计提供了新的思路和理论依据。未来，随着研究的不断深入，或许我们能看到更多受节肢动物启发的创新技术和产品，让这些微小的生物为人类科技的发展带来更多惊喜。
