当猫从高处坠落时，无论它最初的姿势多么扭曲，落地时总是四肢牢牢地着地——这种看似平常的现象早在19世纪就引起了麦克斯韦等物理学家的注意。对于生物而言，极端动态过程中的“自主姿态控制”从来不是一种花哨的炫耀技能，而是一种与生存相关的基本能力。在蓟的伴生草中，一种体长仅为4毫米的小型生物将这种能力推向了极致——这就是蓟跳甲虫（altica cirsicola）。对于重约4毫克的蓟跳甲虫来说，在复杂的植物迷宫中准确着陆是生存的基础；而其远超同行的跳跃能力，自然成为科学家定义“动态控制”和“高效发电”的关键。本文我们就来跟随中国科学院动物研究所葛斯琴团队的研究中山大学吴佳宁团队与美国佐治亚理工学院David Hu教授团队合作，探索跳甲虫的新方向，看到这种小甲虫将为仿生机器人的设计点亮新方向。蓟跳甲虫的寄主植物，紫锥菊（图片来源：参考资料[3]） 跳跃：小生命的“生存艺术”。对于人类来说，步行和跑步可以满足日常生活的大部分需求，但对于大多数昆虫来说，跳跃是应对危险的“不太必要的技能”。尤其对于蓟跳甲虫来说，跳跃不仅是躲避天敌的“生死速度”，也是穿越蓟丛的“快速通道”——毕竟，在枝叶相连的“迷宫”中，“跳跃”比“攀爬”能更快地找到食物并到达安全地带。中国科学院动物研究所的研究数据，让“生存的艺术”变得更加容易理解和理解。令人惊讶的表情：跳甲虫单次跳跃的能量高达9500微焦耳，其腿部施加的力量是其体重的233倍；甚至令人惊讶的是，它可以在30毫秒内完成从静止到离开地面的整个过程——这个速度相当于人眼的一只眼睛。他们可以完成十跳。他动作的速度，似乎就是歌词“旋转跳跃，我闭上眼睛”的真实描述。自然界中的一对跳蚤甲虫（图片来源：参考文献[3]），跳跃的意义不仅仅是“逃避”：新生的加泽拉·汤姆索尼会通过跳跃发出“需要保护”的信号；弹涂鱼利用跳跃在泥滩和水体之间高效地来回移动，以实现呼吸和觅食之间的平衡；而跳跃虫则集“定向精准”、“姿态稳定”、“节能”三重智慧于一身。显然，对于小生物来说，“快速移动”是基础生存的需要，良好的跳跃能力是他们的祖先传承下来的“绝学秘诀”。破译跳跃之谜的进展：人类认识菜豆甲虫的三种跳跃模式的解开经历了漫长的过程。 17世纪，伽利略首先通过斜面实验量化了运动定律； 19世纪，法国科学家马雷特用连续相机从半空中捕捉到了猫跌倒时的旋转——这些早期的探索开始思考：生物如何控制自己运动中的姿势？如今，数百年后，新一代科学家站在前人的肩膀上，用更先进的工具继续探索这个谜团。利用高速摄像技术，Getch的团队清晰地分析了甲虫的三种跳跃模式。跳蚤：（1）无翼模式：仅依靠脚的力量来完成跳跃，而不展开后翅。昆虫的身体外观在空中滚动、翻滚，但旋转的能量只占总动能的1.7%，几乎不影响前进方向。就像熟练的体操运动员一样，即使在完成空翻之后，他仍然可以准确地落在目标点上。 。在空中姿态稳定，没有滚动现象，以“飞行+跳跃”的组合方式移动。 。跳跃的后半段展开翅膀并覆盖，以稳定空中的姿势。 Thistle Flea Beetle 无翼在 30 度斜面上跳跃（图片来源：参考资料[3]） 乍一看，不同的跳跃模式似乎对应于树冠圈内的不同条件（斜面的倾斜角度），但事实并非如此。这是两个独立的事件。实验中超过一半的蓟跳甲只依靠一种跳跃方式，可以说是“一招吃掉全世界”。此外，在不同跳跃模式的成功率。更令人惊讶的是，展开机翼并不会增加跳跃的最大高度——可能是因为机翼产生的升力被同时增加的阻力所破坏（参考文献[3]）。 C、D：中间型50度斜面跳跃； E、F：90度垂直平面内的翼跳。 。说到猫，力学教科书曾经用“猫尾旋转”来解释猫的旋转。结果，很快就发现无尾猫也能完成旋转，这一事实直接反驳了这一理论。更深入的计算分析表明，即使是有尾的猫，这种机制也是完全不合理的——在身体完成驱动后约半秒，猫的尾巴必须向相反方向摆动数十次才能将总动量矩保持为零（参考文献[1]），这显然令人难以置信！大自然“跳跃之王”的较量，谁能胜出？虽然t蓟跳甲虫的三种跳跃方式完全不同，共同构成了其应对复杂环境的生存策略。那么，如果我们将视野扩展到整个自然世界，这种方法处于什么水平呢？如果在自然界举办一场“跳跃锦标赛”，蓟跳甲虫也许不是“绝对的冠军”，但它肯定是“技能最全面的选手”。让我们看看几位“种子选手”的表现，更好地了解蓟跳甲虫的独特之处： 跳蚤：绝对的“火力之王”——跳跃距离可以超过自身体长的100倍。猫蚤和人蚤的站立跳跃高度可达33厘米。如果按比例换算成人，身高等于1.7米的人可以跳1700米（要知道，目前世界上人类站立跳高只有3.71米，助跑跳远世界纪录也只有8.95米）。但是“每一次收获跳蚤的跳跃类似于一种“混沌状态”——即使力量再强，落地点和姿势也很难精确控制。当它持续下去时，甚至不知道最终会落到哪里。（参考文献[4]）。蝗虫：依靠后腿肌肉的直接收缩产生动力，能跳到身体长度的15-30倍，但能量转换效率低于蓟跳甲虫——相当于“用更多的能量跳跃更短的距离”（参考文献[2]），而蝗虫则消耗大量能量但效率不高，相比之下，蓟跳甲虫具有精确、节能和稳定的综合能力，这显示了它的生存智慧：“向卡里卡桑学习”的仿生技术的灵感和突破一直是现代人类技术的主要灵感之一——来自鸟类翅膀。到艾飞行器的翅膀，从蝙蝠回声定位到雷达系统，大自然的“安全智慧”总能照亮技术进步的道路。蓟跳甲虫的跳跃模式也激发了新的想法。传统仿生跳跃机器人往往依靠弹簧储能或电机驱动——前者需要较长时间“蓄力”，而后者缺乏爆发力，难以平衡“快速反应”和“高效发电”。但Getsch团队创新性地开发了一种爆炸推进系统，以蓟跳甲虫为生物模型，以纯丁烷和氧气为“燃料”，通过火花塞点火瞬间释放能量——这种能量释放方式模仿了蓟跳甲虫腿部的“瞬间发力”特性。通过这种设计，机器人可以实现20厘米的垂直跳跃高度，相当于其体长的1.67倍。这种“爆炸推进+仿生设计”的融合策略让机器人能够跳跃无需长期储能即可快速移动，为废墟救援、行星探索等复杂环境下的动态机器人移动提供了新的解决方案。跳跃机器人实验图（图片来源：参考文献[5]）“风起于清平末，波涛成于轻波间”。尽管首次在爆炸中跳跃的机器人只有20厘米，但人们用科学方法用新技术改变了生物的生存智慧。未来的某一天，当这些“铁甲虫”快速灵巧地飞过火星尘埃，完成探索陌生星球复杂地形的使命时，我们可以记得，最初的灵感来自夏天在蓟叶上跳跃的小跳甲虫——它教会了我们的不仅是“如何跳跃”，还有在草丛中仰望浩瀚星空的想象力。参考文献：[1]刘艳珠．自由轴的旋转运动灵猫[J].力学学报，1982（4）：388-393 [2] 熊永刚，彭伟伟，熊凯旋，等．蚱蜢仿生机器人腿部结构评估与设计[j/ol].科技与创新，2018（23）：1-5。 [3] 宗林，吴健，杨鹏，等。跳蚤甲虫在倾斜平台上的跳跃 [j/ol]。比较生理学杂志A，2023，209（2）：253-263。 [4] Rothschild M、Schlein Y、Parker K 等人。跳蚤的飞行[j/ol]。 《科学美国人》，1973 年，229 (5)：92-100。土井：10.1038/《科学美国人》1173-92。 [5] 孙Z，张涛，宗L，等。受跳蚤甲虫启发的燃烧驱动跳跃机器人 [j/ol]。仿生工程学报, 2025, 22 (4): 1622-1636。出品：中国科普 作者：张英超（生态学硕士） 出品：中国科普博览会
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