日本福岡九州大學(xué)3D打印昆蟲(chóng)翅膀

供稿人：李武丹、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

昆蟲(chóng)作為地球上數(shù)量最多的陸生動(dòng)物，存在于地球上幾乎所有的環(huán)境中。其中，昆蟲(chóng)出色的飛行能力一直受到特別的關(guān)注，比如蜻蜓靈活的機(jī)動(dòng)性和蝴蝶在跨海遷徙過(guò)程中的節(jié)能飛行。研究人員提出了各種類型的微型撲翼飛行器（MAVs），然而，與真正的昆蟲(chóng)相比，微型飛行器的能力是有限的。一個(gè)主要問(wèn)題是很難在昆蟲(chóng)翅膀中再現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)械特性和各種功能。昆蟲(chóng)翅膀是一種復(fù)雜的膜結(jié)構(gòu)，由具有復(fù)雜圖案的框架支撐，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的剛度分布和各向異性。它們?cè)谂拇驎r(shí)會(huì)靈活變形，同時(shí)干擾周圍的空氣，產(chǎn)生有用的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。因此，撲翼的設(shè)計(jì)和制造比固定翼和旋翼困難得多。此外，大多數(shù)昆蟲(chóng)翅膀具有飛行功能以及折疊和耦合所代表的各種其他功能，翅膀的這些附加功能是昆蟲(chóng)適應(yīng)性的關(guān)鍵因素。

圖 1. 3D打印昆蟲(chóng)機(jī)翼的仿生設(shè)計(jì)和制造

日本福岡九州大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院的Kazuya Saito團(tuán)隊(duì)研究并提出了一種昆蟲(chóng)翅膀的整體成形方法，通過(guò)3D打印技術(shù)直接在薄膜上打印機(jī)翼框架形成昆蟲(chóng)翼型復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中薄膜和框架使用相同的材料聚丙烯，使其可以很好的粘接在一起。采用基于蜻蜓翅膀中存在的質(zhì)心Voronoi圖的人工脈理生成算法，設(shè)計(jì)了復(fù)雜的人工翅膀力學(xué)性能。此外，他們實(shí)現(xiàn)了真實(shí)昆蟲(chóng)翅膀的兩個(gè)代表性功能:折疊和耦合。基于甲蟲(chóng)后翼開(kāi)發(fā)的折痕圖設(shè)計(jì)軟件可實(shí)現(xiàn)任何形狀的可折疊機(jī)翼的3D打印。耦合式機(jī)翼在飛行過(guò)程中，前翼和后翼相互連接形成單個(gè)大翼；如圖g，這些翅膀可以像蟬翼一樣被分開(kāi)或堆積起來(lái)。

參考文獻(xiàn)：
Saito, K., Nagai, H., Suto, K. et al. Insect wing 3D printing. Sci Rep 11, 18631 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-98242-y