《Acta Biomaterialia》：Influence of foreleg microstructure and nanomechanical behavior on torsional performance in the transient landing impact of the Chinese stag beetle, Dorcus hopei Saunders
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中国斑螳螂前肢的3D结构重建与纳米力学特性分析显示，其杨氏模量和纳米硬度沿前肢从股部到伪跗部呈先增后减再增的趋势，这种梯度结构能自适应重分配着陆冲击载荷。基于Ansys Workbench 2024R1建立的3种前肢模型表明，横截面结构优化可有效提升抗扭性能，为扑翼微飞行器着陆系统提供仿生设计依据。
刘超|张爱迪|宋唐燕|沈环|Eize J. Stamhuis|孙丽宁|陈国东|王克军
中国江苏苏州215021，苏州大学机械与电气工程学院机器人及微系统中心
摘要
中国雄鹿甲虫（Dorcus hopei Saunders）具有高度的活动能力。它能够在复杂表面上稳定着陆，为扑翼式微型飞行器（FWMAVs）的着陆系统研究提供了仿生灵感。本文利用Micro-CT 3D重建技术研究了这种甲虫的前腿结构，并通过纳米压痕实验对其前腿的纳米力学性能进行了探究。研究阐明了着陆过程中材料扭转行为的作用。研究发现，前腿七个代表性位置（从股节到前跗节）的杨氏模量（Er）和纳米硬度（H）均呈现先增加后减少再增加的趋势，这表明甲虫前腿的生物材料在重新分配着陆载荷方面具有适应性。基于此，使用Ansys Workbench 2024R1软件建立了三个前腿模型，以模拟前腿在瞬态着陆冲击过程中的扭转性能。结果表明，甲虫前腿具有优异的力学性能和均衡的应力分布以及抗扭转能力。为进一步研究其抗扭转能力，设计了三单元元素截面模型并进行了分析。结果表明，前腿的截面结构在抵抗扭转变形和实现稳定着陆方面具有显著优势。本研究为FWMAVs着陆系统的开发提供了生物启发。
意义声明
本研究通过系统揭示中国雄鹿甲虫Dorcus hopei Saunders的前腿的机械适应性生物材料策略和抗扭转结构架构，在仿生工程领域取得了重要进展。我们超越了定性观察，建立了定量结构-性能关系，首次揭示了前腿纳米力学性能（杨氏模量和硬度）的独特空间梯度。这一梯度被认为是实现最佳着陆载荷重新分配的关键生物学机制。此外，通过仿生计算模型，我们证明了前腿的特定截面配置赋予了抗扭转稳定性。这些发现为克服扑翼式微型飞行器（FWMAV）开发中的关键挑战——在复杂表面上实现可控且稳定的着陆——提供了基于数据驱动的设计框架。我们的工作从而将功能生物学与先进机器人技术联系起来，为新一代抗冲击和敏捷的微型飞行系统的发展铺平了道路。
引言
扑翼式微型飞行器（FWMAVs）由于其出色的机动性、高能源效率和显著的环境适应性，已成为微型飞行器（MAVs）领域的研究热点[1]。这些飞行器不仅能在复杂环境中以低能耗进行敏捷飞行，还在军事侦察、灾害监测、精准农业和应急救援等方面展现出巨大潜力[2][3][4][5]。然而，尽管飞行性能取得了显著进步，FWMAVs的起飞和着陆系统的发展却明显滞后。与昆虫在各种复杂表面上的稳定着陆能力相比，现有FWMAVs的着陆性能有限，尤其是在非结构化地形或动态环境中的精确着陆方面[6][7]。为应对这些挑战，研究人员正在积极探索基于昆虫腿部的仿生设计，模仿其独特的抓握机制、缓冲结构和力学性能，以开发更高效、更稳定的FWMAVs着陆系统[8][9][10]。
目前关于节肢动物腿部的研究主要集中在生物结构、材料和生物力学方面[11]。在研究昆虫足部结构时，宋等人发现蝗虫腿部钩状结构和粘附垫之间的协同作用降低了接触硬度并显著增强了粘附力[12]。钩甲虫的钩状爪子用于与结构化表面互锁，而粘附刚毛主要应用于光滑表面[13]。对竹节虫的研究表明，其腿部末端具有钩状结构，能够在不同表面上实现适应性抓握[14]。李等人对蝗虫表皮的研究发现，胫节表皮的硬化有效提高了胫节的弹性模量，从而适应了蝗虫跳跃运动的需求[15]。郑等人应用材料科学方法证明了蝗虫后腿胫节生物材料的各向异性特性，其中杨氏模量（Er）和硬度（H）显著高于其他腿部段，增强了瞬态着陆冲击过程中的承载能力[16]。其他研究表明，蜘蛛毛状粘附垫中的几丁质和超弹性蛋白质复合材料能够产生高粘附力，且不受表面粗糙度的影响。这些粘附结构使蜘蛛能够快速而轻松地附着和脱离表面[17]。在生物力学研究中，马达加斯加发声蟑螂的足垫表现出摩擦各向异性：其足尖的粘附分泌物在瞬态着陆冲击过程中确保了有效附着，同时便于快速脱离[18]。总之，尽管取得了这些进展，但目前关于昆虫腿部的研究仍存在局限性。在结构方面，研究主要集中在昆虫腿部的外部特征上，对其内部架构的探索不足。在材料方面，缺乏对不同腿部段力学性能的详细分析。在生物力学方面，大多数仿真模型将昆虫腿部简化为实心或空心圆柱形结构，忽略了其真实内部形态的影响。
本文研究了Dorcus hopei Saunders（1854年命名）前腿的宏观截面结构和纳米力学特性，因为这些特性是设计着陆模型所需的结构和力学参数。随后使用Ansys Workbench软件对三个前腿模型进行了扭转测试。仿真结果用于研究前腿截面结构对其力学行为的影响，特别是着陆时的抗扭转性能。本研究旨在为FWMAVs着陆系统的仿生设计提供相关见解。
部分摘录
样本
本研究选择属于鞘翅目（甲虫）的D. hopei作为研究对象。该物种广泛分布于中国各地，主要栖息在森林地区、林地和树木茂盛的环境中，尤其是阔叶林和竹林。成年个体常见于树干或腐木上。雄性成虫体长27–85毫米，体宽15–30毫米，具有发达的、特有的雄鹿甲虫上颚。其身体...
前腿的结构特征
使用Micro-CT重建技术研究了D. hopei的3D宏观形态，如图2所示。其结构包括股节、胫节、跗节和前跗节及其连接关节。这些关节提供了多个自由度，使腿部运动更加灵活[23]。股节呈宽而扁平的椭圆形，平均长度为5.854毫米，直径为1.971毫米。胫节（平均长度：6.011毫米；直径：1.223毫米）通过...
纳米力学分析
通过获取纳米压痕测试结果的分析发现，这些发现与螳螂前腿股节、胫节和跗节的杨氏模量（Er）和纳米硬度（H的变化相似，其中胫节的Er和H低于股节和跗节。从胫节到跗节，Er和H通常呈现先线性减小后线性增加的趋势[28]。作为昆虫腿部的主要支撑结构，股节表现出...
结论
为了探讨D. hopei在瞬态着陆冲击过程中前腿结构对其扭转行为的影响，本研究首先使用3D超景深显微镜和Micro-CT 3D重建技术对其前腿的宏观结构进行了研究。
技术观察和分析揭示了各种结构在瞬态着陆冲击过程中抵抗扭转的作用：股节主要承受压力...
CRediT作者贡献声明
刘超：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，数据管理，概念构思。张爱迪：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，形式分析。宋唐燕：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，形式分析。沈环：撰写——审稿与编辑，形式分析。Eize J. Stamhuis：监督。孙丽宁：监督，资源协调，概念构思。陈国东：撰写——审稿与...
