这虫子死了还能动！原来是它的腿上装了……

在文章开始前，先来看这个视频。

这个体型如回形针大小的微型机器人，正轻盈地漂浮在水面上。突然，它启动了，不仅能高速前行，还能瞬间刹车，甚至能像一位花样滑冰运动员一样，在水面可以轻快地朝不同方向移动。

你是不是有很多疑问，这个水上机器人是如何做到水上漂的？又是如何做到杂技般的动作的？

这得从一只不起眼的小虫子说起。

水黾的北美亲戚

图片来源：Jim moore

这种虫子的学名是Rhagovelia obesa，目前还没有正式的中文名，俗称“涟漪虫”或“激流蝽”，是半翅目宽肩蝽科（Veliidae）的一种半水生昆虫，在北美洲较为常见。

看到它的照片，你可能第一时间会联想到国内常见的水黾。激流蝽确实是水黾的近亲，但两者的生境截然不同：激流蝽偏爱有一定流速的水面，通常出现在溪流或河流的浅滩（riffles），这也是它的名字（Riffle Bugs）的由来；而水黾一般生活在静水环境，更多在平稳的水面滑行、跳跃。

左：激流蝽 右：水黾（图片来源：wikipedia&iNaturalist）

水上功夫的秘密

能生活在溪流之中，激流蝽一定有独特的“水上功夫”。科学家们推测，答案藏在它的运动器官——腿上。

2024年，一个韩国和美国的跨国研究团队将激流蝽放置在实验室的水槽中，并使用超高速摄像机，以每秒数千帧的速率来拍摄它们划水的动作。由于激流蝽的腿部动作极快，人眼完全无法看清其中的细节。

当科学家们将拍摄到的视频以极慢的速度回放时，他们看到了此前从未被清晰描述过的一幕：

在激流蝽的中腿末端，有一个由近2000根微小刚毛组成的特殊结构。

左图：两条划桨状的腿末端的扇形结构和爪子 右图：上色的扫描电子显微镜图像，展示了扁平带状的微观结构（图片来源：UC Berkeley）

中腿末端标志性的扇形结构（图片来源：参考文献）

这个结构平时紧密收拢，而在接触水面的瞬间（约5毫秒内）会像一把折扇“炸”开，形成一个完整的推进面。在腿部划水结束、准备抬离水面时，它又会同样迅速地收拢起来，就像一个微型的“变形金刚”。

如此高速的开合，是怎么做到的？难道需要极其发达且复杂的肌肉来控制吗？如果真是这样，能量消耗将过于巨大，对于一只小昆虫来说，这似乎不太划算。

水平角度观察，可以清晰地看到腿部的扇形结构（图片来源：UC Berkeley）

隐藏驱动力：表面张力

为了探究“扇子”的驱动原理，实验室团队进行了一项巧妙的实验。他们将一只死去的激流蝽的腿浸入水中，然后用微小的探针模拟划水动作。

令人震惊的结果出现了：即使没有生命驱动，这把“扇子”依然能完美地自动开合！

一组视频截图，展示了一个从虫体分离出来的独立扇形结构在接触水滴时的被动反应。 （图片来源：参考文献）

显然，驱动扇子开合的不是肌肉能量。那是什么在驱动呢？

科学家们可以确定，驱动力必然来自外部的物理世界。通过微力学测试和粒子图像测速法（PIV）的技术，科学家发现这个驱动力是弹性毛细管力（Elastocapillary Force）。

要理解这个专业名词，我们可以用一个常见的现象来类比：当你洗完头，湿漉漉的头发会一缕一缕地粘在一起，而不是蓬松地散开。这就是因为水在头发（弹性物体）之间形成的弯月面产生了表面张力，将它们“粘”合在一起。这种“粘合力”就是毛细管力的一种体现。

弹性毛细管力示意图（图片来源：researchgate）

当有液体存在时，其表面张力（毛细管力）会产生强大的“粘合”效应，足以克服微小弹性结构（如细柱）自身的硬度，迫使它们弯曲并聚合在一起。图中的绿色细柱就如同扇叶上的每一根独立刚毛，当扇叶湿润并在空气中时，强大的毛细管力将所有刚毛“粘”成一束（如右图所示的闭合状态），从而减少阻力；而当它高速刺入水中时，水的冲击力瞬间打破了这种“粘合”，刚毛储存的弹性便得以释放，使扇叶“弹”开形成有效的划水面，进而实现了不耗费额外生物能量的、被动式的开合。

所以，激流蝽的秘密武器，是一个完全被动式、由物理规律自动控制的发动机。它不需要消耗任何额外的生物能量去控制扇叶开合，只需专注于划腿这个核心动作，能量效率高得惊人。

这篇揭示了该机制的研究成果，也登上了《科学》（Science）的封面。

图片来源：Science

向大自然学习

大自然展示了如此精妙的设计，工程师们自然不会放过。

研究团队开始尝试复刻这个“被动式推进器”，他们将创造的机器人命名为“Rhagobot”。这个前缀直接取自其仿生对象——激流蝽的属名Rhagovelia。

复刻之路充满挑战——团队首先需要找到合适的材料。他们最终选择了一种名为聚酰亚胺的轻质高分子材料，通过微加工技术制造出人造的扇形结构。

水下完全展开的机器人扇子，旁边有一枚硬币作为尺寸对比。这个扇子重量仅为1毫克。 （图片来源：参考文献）

接下来是驱动。虽然扇叶开合是被动的，但划腿的动作需要动力。团队采用了一种名为形状记忆合金的智能材料作为人工肌肉。这种金属丝在通电加热时会收缩，断电冷却后则会恢复原状，从而模仿昆虫腿部的往复运动。

半水生机器人Rhagobot （图片来源：参考文献）

那么Rhagobot的具体表现如何呢？

在实际测试中，Rhagobot能以每秒约4倍体长（约28厘米/秒）的速度前进。这听起来不错，但与生物原型相比，差距巨大——激流蝽的速度可以达到惊人的每秒100倍体长。它的的转向率为每秒154度，而激流蝽可以达到每秒550度，几乎是前者的3.5倍。

机器人扇子在入水和出水时的动态过程 （图片来源：参考文献）

很显然，尽管Rhagobot成功验证了被动式推进扇的可行性，但我们距离完美复刻大自然的杰作还有很长的路要走。这其中的挑战是多方面的，比如致动器的响应速度和力量远不及真实的肌肉，机器人的整体重量和能量供应（目前Rhagobot仍需外部电线供电）也是巨大的技术瓶颈。

这让我们不禁再次感叹，大自然永远都是人类的老师。也期待科学家能更好地向这位老师学习，在未来研发出更优秀的机器人。

参考文献：

[1] Ortega-Jimenez V M, Kim D, Kumar S, et al. Ultrafast elastocapillary fans control agile maneuvering in ripple bugs and robotsJ. Science, 2025, 389(6762): 811-817.

苏澄宇，科普作者。