超快弹性毛细扇驱动水黾与微型机器人的敏捷机动机制研究

来自美国的研究团队通过研究水黾(Rhagovelia)中腿特化的扁平带状弹性毛细扇(ECF)，揭示了其水下快速展开的微观结构机制。该团队结合结构分析、行为观测和仿生工程，证明这种正交异刚度扇叶能实现毫秒级被动形变(50ms完成96°转向)，产生120体长/秒的爆发速度，并成功开发出1毫克级仿生机器人，为微型水下机器人驱动系统提供了新范式。

　　

水黾(Rhagovelia)利用中腿特化的扁平带状弹性毛细扇(Elastocapillary Fan, ECF)在急流表面机动。研究发现，这种扇叶的正交方向刚度差异（横向刚性/纵向柔韧）可实现无需肌肉参与的被动弹性毛细形变(Elastocapillary morphing)。独特的微架构使其在腿部回缩时易折叠，而在推进时保持刚性，实现50毫秒内完成96°急转弯，速度高达120体长/秒——堪比果蝇(Drosophila)在空中的急转(saccades)。

研究团队据此开发出仅1毫克(mg)的仿生ECF驱动器，集成至昆虫尺度机器人。对比实验证实，这种自变形扇叶能显著提升推力、制动性和机动性。微观结构分析显示，扇叶的平行排列羽枝(barb)通过非稳态涡流(unsteady vortices)和毛细波(capillary waves)增强推进效率。该研究不仅阐明了水生昆虫界面推进的微观机制，更为微型水下机器人提供了超轻量(<10mg)、超快响应(<100ms)的驱动解决方案。