Smithsonian雜誌報導,在科學家眼中,昆蟲翅膀的折疊不是紙上折圖那麼單一,它涉及曲線摺痕、局部彈性材料,與發育過程中產生的力學不穩定性,因此才能把薄如紙的膜,收納成小包再精準展開。

以耳蛾(earwig)為例,研究發現,其後翅在收納前,能伸展到摺疊後面積的10倍以上,展開與收納過程並非靠肌肉直接拉扯,而是在翅中間沿曲線摺痕處分佈一種叫彈性蛋白作為「彈簧」。

研究團隊把這個構造稱為「中段翅膀機制」 (mid-wing mechanism):對稱配置的 彈性蛋白幫助摺痕伸展,非對稱配置則提供旋轉與定位能量,兩者合力讓翅膀在折與展之間,能快速且可靠地切換。

並在折或展兩種狀態間形成「雙重穩定」(bistable)結構——只要一點小能量觸發,就能像開關一樣完成整片翅膀的部署。

折痕中的能量集中點(singularities)也很重要,這些點像摺痕上的關節或皺褶尖端,收納時能儲存大量彎曲能量,展開時這些點以固定順序移動,保證所有摺痕依序打開或收回,因此這類生物摺法極為穩定且可重複數萬次而不出錯。

研究顯示,多數複雜生物摺痕源自發育期間組織層厚薄,與彈性不均所致,當一層較薄或較硬的「皮」覆蓋在較軟且增長的基底上,輕微的壓縮或伸長就會誘發板片出現山谷狀或波紋狀的摺痕(類似地殼隆起造成褶皺。

把生物折法拿來工程化,有兩條明確路徑:一是把「幾何折法」直接複製到薄膜或構件上;二是把生物中「彈性元件」的概念引入材料設計,例如在摺痕處內建可儲能的彈性層或微型彈簧(研究者稱為 spring origami)。

目前有團隊已經用數學模型與 3D 列印,製作出帶有彈性「彈簧」的薄膜樣品,能夠自動折疊並在受到小力後快速展開這種雙重穩定、可重複部署的設計,特別適合用在需要緊湊收納與快速展開的場景。

比方說小型無人機的可收摺翼面、在受限空間內部署的傳感器膜片,甚至能讓太空、救援用的展開結構達到更高的可靠性與簡化控制需求。

昆蟲翅膀的折疊與形成,是幾何、材料與生長力學三者共同編織出的「自然摺紙」, 透過理解曲線摺痕、彈性蛋白與發育驅動的力學,工程師已能把這些原理解構並導入可收納、雙穩態的可部署結構,未來在小型無人機、可展開機構與自動部署系統上的應用可期。

昆蟲翅膀摺疊與展開示意動畫。Smithsonian雜誌
昆蟲翅膀摺疊與展開示意動畫。Smithsonian雜誌

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