跳甲后足内部结构、功能及仿生学研究

Most species of flea beetles (Alticinae) have extraordinary jumping ability and they have a set of unique spring device in the hind-leg; the mechanism resembles the catapult widely used in ancient Chinese military, which is extremely explosive; there is great value in science in the research of its morphology and bionics. Currently, the jumping mechanism of flea beetles is not entirely clear; international scientists have done little on the subject, domestic researchers also haven't explored this area; there have been no related bionic researches. This project focuses on the extraordinary jumping ability and the unique structures of the hind leg of flea beetles. With the aid of previous preliminary results of the flea beetle jumping mechanism achieved by the applicant in his doctoral research, here we aim to reveal the 3D morphology, surface morphology and the functional morphology of each structure inside the flea beetle hind leg, and to reveal a true and reliable diagram of flea beetle jumping mechanism. Finally, we will propose a bionic design in order to shed lights on the future application in the related industry (e.g., a design of jumping leg of a robot, aircraft catapult system and the catapult device of Mars probe) based on the mechanism of the flea beetle jumping. This project has great significance in both basic research and industrial application.

跳甲亚科（Alticinae）昆虫大多数种类都具有卓越的跳跃能力，其后足内部具有一套独特的弹射结构，具有很强的爆发力，其机理类似于中国古代应用于军事中的“弹弩”；在形态学和仿生学上对其后足进行研究具有重要科学意义。国际学者对跳甲跳跃的功能形态学仅有个别研究，其跳跃机制至今仍不明确；除申请人外，国内尚无其它学者研究；相关仿生学研究在国内外均处于空白阶段。本课题立足跳甲强大的跳跃能力及独特的后足内部结构，以申请人硕博连读期间取得的初步的跳甲跳跃机制研究结果为基础，拟进一步研究跳跃相关结构的三维形态特征、表面形态特征以及这些结构在跳跃过程中的功能和作用，并提出准确的跳甲跳跃的机制与模式。在此基础上仿照跳甲后足内部的独特结构提出可靠的人造弹射器的仿生学设计图，为未来相关工业领域（如：人造跳跃足、舰载机弹射器、火星探测器的弹射装置等）提供仿生学基础。本项目兼具有基础科学意义和工业领域应用前景。

跳甲都具有惊人的跳跃能力，其跳跃运动鲜有学者研究，人们对其运动机制并不完全明确。本项目立足跳甲强大的跳跃能力及独特的后足内部结构，开展了跳甲的跳跃机制及仿生研究，主要研究结果总结如下：（1）本项目对后足内部结构进行解剖和观察、应用三维重建技术重构了跳甲后足内部的结构，发现了跳甲后足内部一个新的结构：“弹性板”；它在前人的研究中未被发现，但实验证明它在跳跃的触发阶段担任着最重要的角色之一（触发器的角色）。（2）本项目明确了跳甲后足各个结构在跳跃过程中的作用、跳跃过程涉及到的生物力学机制等，最终提出了系统的跳甲跳跃机制。发现了爆发性的弹射机制能够形成的原因是因为能量的急速增加和力学结构的微妙变化。发现了三角片爆发式地脱离弹性板，促使弹性势能瞬间转化为胫节的动能，由此推动虫体跳跃。提出了分为四个阶段的跳甲弹射式跳跃的模式：准备阶段、协同收缩阶段、爆发和加速阶段、放松阶段。（3）最终，本项目在这些实验数据的基础上模仿跳甲的后足结构提出了一套仿生机械跳跃足的设计图。在本项目的支持下，共发表了SCI论文6篇，共获得专利授权4项。另外，在本项目的支持下课题组开展了一项后续拓展研究：叩甲弹跳运动的功能形态学研究，目前已经有部分数据已投稿，即将发表。