當一只貓從高處墜落，無論初始姿態(tài)多扭曲，著陸時總能穩(wěn)穩(wěn)地四肢著地——這一看似尋常的現(xiàn)象，早在19世紀就吸引了麥克斯韋等物理學家的目光。對生物而言，極端動態(tài)過程中的“姿態(tài)自主控制”，從來都不是花里花哨的炫技，而是關(guān)乎生存的核心能力。

在刺兒菜（Cirsium setosum）交錯生長的草叢間，一種體長僅4毫米的小生物將這種能力推向了極致——它就是薊跳甲（Altica cirsicola）。對體重約為4毫克的薊跳甲來說，在復雜植物迷宮中精準著陸，是活下去的基礎(chǔ)；而它那遠超同行的跳躍技巧，理所應(yīng)當?shù)爻蔀榱丝茖W家破解“動態(tài)控制”與“高效發(fā)力”的鑰匙。

本文，讓我們跟隨中國科學院動物研究所葛斯琴團隊、中山大學吳嘉寧團隊，以及美國佐治亞理工學院David Hu教授團隊的研究，一起探究薊跳甲獨特的跳躍方式，看看這只小甲蟲如何為仿生機器人設(shè)計點亮全新方向。

薊跳甲的寄主植物刺兒菜

（參考文獻[3]）

跳躍：小生命的“生存藝術(shù)”

于人類而言，行走與奔跑就已經(jīng)能夠滿足日常生活的絕大部分需求，但對大多數(shù)昆蟲來說，跳躍則是應(yīng)對風險的“剛需技能”。尤其對薊跳甲而言，跳躍不僅是逃離天敵的“生死時速”，更是穿梭于薊屬植物叢的“快速通道”——畢竟，在枝葉交錯的“迷宮”里，“跳”比“爬”更能快速找到食物、抵達安全區(qū)。

中國科學院動物研究所的研究數(shù)據(jù)，讓這種“生存藝術(shù)”有了更直觀震撼的表達：薊跳甲的單次跳躍能量高達9500微焦，腿部施加的力量是其身體重量的233倍；更驚人的是，它能在30毫秒內(nèi)完成從靜止到離地的全過程——這個速度，相當于人類眨眼的瞬間，它們就可以完成十次跳躍。其動作之迅捷，仿佛就是“旋轉(zhuǎn)跳躍，我閉著眼”這句歌詞的真實寫照。

一對正在交配的跳甲

（參考文獻[3]）

在自然界，跳躍的意義遠不止“逃跑”：新生的湯氏瞪羚（Gazella thomsoni）會通過跳躍傳遞“需要保護”的信號；彈涂魚借跳躍在泥灘與水體間高效往返，實現(xiàn)呼吸與覓食的平衡；而昆蟲的跳躍，更是融合了“定向精準”“姿態(tài)穩(wěn)定”與“能量節(jié)省”的三重智慧。顯然，對體型微小的生物來說，“快速行動”是生存的核心需求，卓越的跳躍技能，正是老祖宗傳承下來的“獨門秘籍”。

跳躍之謎的破譯進展：揭秘薊跳甲三種跳躍模式

人類對跳躍的認知，經(jīng)歷了一個漫長的過程。17世紀，伽利略通過斜面實驗首次量化了運動的規(guī)律；19世紀，法國科學家馬雷用連拍相機捕捉到貓下落時的空中轉(zhuǎn)體——這些早期探索，讓人類開始思考：生物如何在動態(tài)中控制自己的姿態(tài)？

數(shù)百年后的今天，新一代科學家站在前人的肩膀上，以更先進的工具繼續(xù)探索這一謎題。葛斯琴團隊用高速攝像技術(shù)，清晰解析出了薊跳甲的三種跳躍模式：

（1）無翅模式：僅依靠腿部力量完成跳躍，后翅不展開。蟲體在空中存在俯仰和翻滾，但旋轉(zhuǎn)能僅占總動能的1.7%，幾乎不影響前進方向。就像技藝精湛的體操運動員，即便完成空翻，也能精準落向目標點。

（2）展翅模式：起跳時展開后翅，以近似飛行的方式運動。空中姿態(tài)十分穩(wěn)定，無翻滾現(xiàn)象，以“飛行+跳躍”相結(jié)合的方式運動。

（3）中間模式：跳躍前半程僅依靠腿部力量，后翅不展開；后半程展翅，并揮翅以穩(wěn)定空中姿態(tài)。

薊跳甲無翅跳躍至30度傾斜面

（參考文獻[3]）

乍一看，不同的跳躍模式似乎對應(yīng)不同的環(huán)境條件（斜面的傾角），但事實并非如此，這是兩個相互獨立的事件。實驗中有超過一半的薊跳甲僅依賴一種跳躍模式，可謂是“一招鮮吃遍天”了。此外，不同跳躍模式的成功率也沒有顯著差異。更令人意外的是，翅膀展開并不會增大跳躍的最大高度——這可能是因為翅膀產(chǎn)生的升力被同時增加的阻力抵消了（參考文獻[3]）。

c、d：中間型跳躍至50度傾斜面；e、f：有翅跳躍至90度垂直面。

（參考文獻[3]）

與貓咪的一次轉(zhuǎn)體不同，薊跳甲在空中會進行2-4次俯仰與翻滾，但這些旋轉(zhuǎn)的功能仍不明確：它們的多次旋轉(zhuǎn)可能有助于調(diào)整腿部姿態(tài)或視覺追蹤目標，從而更充分地觀察著陸環(huán)境。

說到貓咪，曾經(jīng)的力學教材用“貓尾旋轉(zhuǎn)”來解釋貓的轉(zhuǎn)體。結(jié)果，人們很快發(fā)現(xiàn)，無尾的貓同樣可以完成轉(zhuǎn)體，這一事實直接否定了該理論。更深入的計算分析顯示，即便在有尾貓中，該機制也極不合理——在驅(qū)體完成翻轉(zhuǎn)的半秒左右，貓尾必須反向揮動數(shù)十圈才能保持總動量矩為零（參考文獻[1]），這顯然是難以置信的！

自然界的“跳躍王者”大比拼，誰能更勝一籌？

薊跳甲的三種跳躍模式雖截然不同，卻共同構(gòu)成了其應(yīng)對復雜環(huán)境的生存策略。那么，若將視野放寬至整個自然界，這套策略又處于何種水平？

若在自然界舉辦一場“跳躍錦標賽”，薊跳甲或許不是“絕對冠軍”，但一定是“技術(shù)最全面的選手”。讓我們看看幾位“種子選手”的表現(xiàn)，便更能理解薊跳甲的獨特之處：

跳蚤：絕對的“爆發(fā)力王者”——跳躍距離能超過自身體長的100倍，貓蚤與人體蚤的立定跳躍高度可達33厘米。若按比例換算成人類身高，相當于1.7米的人跳出1700米（要知道，人類立定跳遠世界紀錄目前僅為3.71米，助跑跳遠世界紀錄也僅8.95米）。但“有得必有失”，跳蚤的跳躍更像“混沌態(tài)”——發(fā)力雖猛，卻很難精準控制落點與姿態(tài)，一旦起跳，甚至連它自己也不知道會落在哪里。（參考文獻[4]）。

蝗蟲：靠后腿肌肉直接收縮發(fā)力，跳躍高度可達體長的15-30倍，但能量轉(zhuǎn)化效率遠低于薊跳甲——相當于“用更多能量，跳更短的距離”（參考文獻[2]）。

總的來看，跳蚤善爆發(fā)而失之精準，蝗蟲耗能巨大卻效率不高。相較之下，薊跳甲卻擁有精準、節(jié)能與穩(wěn)定的全面能力，展現(xiàn)了演化中的生存智慧。

從甲蟲到機器：仿生科技的靈感與突破

“師法自然”從來都是人類技術(shù)革新的核心靈感之一——從鳥類翅膀到飛機機翼，從蝙蝠的回聲定位到雷達系統(tǒng)，自然的“生存智慧”總能不斷為科技進步照亮前路。而薊跳甲的跳躍模式，也啟發(fā)了新的思路。

傳統(tǒng)仿生跳躍機器人大多依賴彈簧儲能或電機驅(qū)動——前者需要長時間“蓄力”，后者爆發(fā)力不足，很難兼顧“快速響應(yīng)”與“高效發(fā)力”。但葛斯琴團隊以薊跳甲為生物模型，創(chuàng)新性地研發(fā)了一種燃爆推進系統(tǒng)。

該系統(tǒng)以99.5%純度的丁烷與氧氣混合氣體作為“燃料”，通過火花塞點火瞬間釋放能量——這種能量釋放方式模擬了薊跳甲腿部“瞬時發(fā)力”的特點。憑借這一設(shè)計，這款機器人實現(xiàn)了20厘米的垂直跳躍高度，相當于自身體長的1.67倍。

這種“燃爆推進+仿生設(shè)計”的融合策略，讓機器人無需長時間儲能，就能實現(xiàn)快速跳躍，為動態(tài)機器人在廢墟救援、行星探測等復雜環(huán)境中的移動提供了新的解決路徑。

跳躍機器人的實驗圖

（參考文獻[5]）

“風起于青萍之末，浪成于微瀾之間”。燃爆推進的跳躍機器人首次起跳雖然不過20厘米，但人類正在用科學的方式，將生物的生存智慧轉(zhuǎn)化為全新的技術(shù)。

未來某一天，當這些“鋼鐵甲蟲”快速靈巧地掠過火星塵埃，在陌生星球的復雜地形中完成探測任務(wù)時，我們或許會想起：最初的靈感，來自夏日里那只躍向薊葉的小小跳甲——它教會我們的，不僅是“如何跳躍”，更是在毫厘之間的草叢，望向浩瀚星空的想象力。

參考文獻：

[1]劉延柱. 自由下落貓的轉(zhuǎn)體運動[J]. 力學學報, 1982(4): 388-393

[2] 熊勇剛, 彭未來, 熊凱旋, et.al. 蚱蜢仿生機器人腿部結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[J/OL]. 科技與創(chuàng)新, 2018(23): 1-5.

[3]ZONG L, WU J, YANG P, et.al. Jumping of flea beetles onto inclined platforms[J/OL]. Journal of Comparative Physiology A, 2023, 209(2): 253-263.

[4] ROTHSCHILD M, SCHLEIN Y, PARKER K, et.al. The Flying Leap of the Flea[J/OL]. Scientific American, 1973, 229(5): 92-100. DOI:10.1038/scientificamerican1173-92.

[5] SUN Z, ZHANG T, ZONG L, et.al. A Flea Beetle-Inspired Combustion-Powered Jumping Robot[J/OL]. Journal of Bionic Engineering, 2025, 22(4): 1622-1636.

出品：科普中國

作者：張應(yīng)超（生態(tài)學碩士）

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