日本福冈九州大学3D打印昆虫翅膀

供稿人：李武丹、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

昆虫作为地球上数量最多的陆生动物，存在于地球上几乎所有的环境中。其中，昆虫出色的飞行能力一直受到特别的关注，比如蜻蜓灵活的机动性和蝴蝶在跨海迁徙过程中的节能飞行。研究人员提出了各种类型的微型扑翼飞行器（MAVs），然而，与真正的昆虫相比，微型飞行器的能力是有限的。一个主要问题是很难在昆虫翅膀中再现复杂的机械特性和各种功能。昆虫翅膀是一种复杂的膜结构，由具有复杂图案的框架支撑，这会导致复杂的刚度分布和各向异性。它们在拍打时会灵活变形，同时干扰周围的空气，产生有用的空气动力学效应。因此，扑翼的设计和制造比固定翼和旋翼困难得多。此外，大多数昆虫翅膀具有飞行功能以及折叠和耦合所代表的各种其他功能，翅膀的这些附加功能是昆虫适应性的关键因素。

图 1. 3D打印昆虫机翼的仿生设计和制造

日本福冈九州大学设计学院的Kazuya Saito团队研究并提出了一种昆虫翅膀的整体成形方法，通过3D打印技术直接在薄膜上打印机翼框架形成昆虫翼型复合结构，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质心Voronoi图的人工脉理生成算法，设计了复杂的人工翅膀力学性能。此外，他们实现了真实昆虫翅膀的两个代表性功能:折叠和耦合。基于甲虫后翼开发的折痕图设计软件可实现任何形状的可折叠机翼的3D打印。耦合式机翼在飞行过程中，前翼和后翼相互连接形成单个大翼；如图g，这些翅膀可以像蝉翼一样被分开或堆积起来。

参考文献：
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