Smithsonian杂志报导,在科学家眼中,昆虫翅膀的折叠不是纸上折图那么单一,它涉及曲线折痕、局部弹性材料,与发育过程中产生的力学不稳定性,因此才能把薄如纸的膜,收纳成小包再精准展开。

以耳蛾(earwig)为例,研究发现,其后翅在收纳前,能伸展到折叠后面积的10倍以上,展开与收纳过程并非靠肌肉直接拉扯,而是在翅中间沿曲线折痕处分布一种叫弹性蛋白作为「弹簧」。

研究团队把这个构造称为「中段翅膀机制」 (mid-wing mechanism):对称配置的 弹性蛋白帮助折痕伸展,非对称配置则提供旋转与定位能量,两者合力让翅膀在折与展之间,能快速且可靠地切换。

并在折或展两种状态间形成「双重稳定」(bistable)结构——只要一点小能量触发,就能像开关一样完成整片翅膀的部署。

折痕中的能量集中点(singularities)也很重要,这些点像折痕上的关节或皱褶尖端,收纳时能储存大量弯曲能量,展开时这些点以固定顺序移动,保证所有折痕依序打开或收回,因此这类生物折法极为稳定且可重复数万次而不出错。

研究显示,多数复杂生物折痕源自发育期间组织层厚薄,与弹性不均所致,当一层较薄或较硬的「皮」覆盖在较软且增长的基底上,轻微的压缩或伸长就会诱发板片出现山谷状或波纹状的折痕(类似地壳隆起造成褶皱。

把生物折法拿来工程化,有两条明确路径:一是把「几何折法」直接复制到薄膜或构件上;二是把生物中「弹性元件」的概念引入材料设计,例如在折痕处内建可储能的弹性层或微型弹簧(研究者称为 spring origami)。

目前有团队已经用数学模型与 3D 列印,制作出带有弹性「弹簧」的薄膜样品,能够自动折叠并在受到小力后快速展开这种双重稳定、可重复部署的设计,特别适合用在需要紧凑收纳与快速展开的场景。

比方说小型无人机的可收折翼面、在受限空间内部署的传感器膜片,甚至能让太空、救援用的展开结构达到更高的可靠性与简化控制需求。

昆虫翅膀的折叠与形成,是几何、材料与生长力学三者共同编织出的「自然折纸」, 透过理解曲线折痕、弹性蛋白与发育驱动的力学,工程师已能把这些原理解构并导入可收纳、双稳态的可部署结构,未来在小型无人机、可展开机构与自动部署系统上的应用可期。

昆虫翅膀折叠与展开示意动画。Smithsonian杂志
昆虫翅膀折叠与展开示意动画。Smithsonian杂志

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