昆虫体长的小型化对其自由飞行带来巨大挑战。自然界种有一类微型寄生昆虫，体长仅0.5-2mm，拍翅膀频率高达300Hz以上。其中，被称为世界上最小昆虫的缨小蜂进化出一种独特的翅膀构型“梳子翼”，由一根桨状的膜及其缘边长短不一呈放射状的的毛组成。这种极小昆虫是如何利用其独特的梳子翼在超低雷诺数（Ra<40）下进行飞行的呢？飞行过程中，大长径比的缘边毛又呈现了怎样的力学特性？
为系统研究梳子翼的微纳形貌、力学与特异飞行机制，北京航空航天大学仿生与微纳系统研究所蒋永刚教授、赵鹏博士等，与日本千叶大学刘浩教授、苏州大学吴鹏教授合作，最近在2022年第一期iScience（《交叉科学》）https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.103692在线发表了题为“Bristled-wing design of materials, microstructures and aerodynamics enables flapping flight in tiny wasps”的文章，系统研究了世界上最小昆虫—缨小蜂Anagrus Haliday (Hymenoptera:Mymaridae) 梳子翼的微观形貌、材料组成和力学性能以及梳子翼的气动力学特性。作者发现缘边毛的杨氏模量高达22 GPa，使这种锥型中空的缘边毛具有很高的刚度，在生物相关的气动力作用下的形变可忽略不计。此外，在高频（>300 Hz）气动载荷作用下，锥型缘边毛结构应力分布更均匀，这表明缘边毛具有较强的抗疲劳性能。梳子翼拍动的计算流体力学仿真结果表明，梳子翼利用缘边毛与气流作用产生的壁面剪切力大幅度增加了其阻力中粘性分量，这种气动增阻机制有助于梳子翼昆虫实现基于阻力，而不是升力的高效飞行。部分借鉴该原理，作者还提出一种新颖的梳子翼结构仿生压差传感器（Bioinspir. Biomim. 16 (2021) 055011 http://doi.org/10.1088/1748-3190/ac1919) , 拓展了悬臂梁式压差传感器的量程。梳子翼的相关基础研究有望为仿生工程领域的微飞行器和传感器的设计提供新原理。
【缘边毛的微观形貌及材料组成】
作者表征了微型飞行昆虫Anagrus Haliday (Hymenoptera:Mymaridae) 梳子翼的微观形貌，总结归纳了其缘边毛的分布规律及尺寸特征，并对缨小蜂梳子翼的单根缘边毛进行了详细的形貌表征，发现其为锥型中空结构，并依据表征结果建立了单根缘边毛的数学模型。作者进一步利用EDS检测了缘边毛的材料组成。所检测出来的碳、氧、氮、氯、铜五种元素均匀的分布在缘边毛的表面，结果表明缘边毛具有富含铜的几丁质基生物材料特性。上述缘边毛的微观形貌和材料组成特征体现了微型飞行昆虫的新型生物材料和生物形态设计，决定了微型飞行昆虫Anagrus Haliday (Hymenoptera:Mymaridae) 梳子翼缘边毛的力学性能和结构强度。
图1梳子翼的微观表征及缘边毛微观表征、建模和材料组成分析。
【缘边毛的微观力学性能】
作者利用原子力显微镜及激光多普勒测振仪完成了对缨小蜂梳子翼单根缘边毛的静、动态表征分析，测量计算得到了其杨氏模量高达22 GPa，结合EDS结果表明这很有可能是其材料组成中含有铜基生物矿物所导致的。缨小蜂梳子翼缘边毛具有大杨氏模量有助于增加这种大长径比毛结构的刚度，进而保证其在翅膀拍动过程中保持整体构型的刚性以产生更大的气动阻力。
图2单根缘边毛的力学性能。
【缘边毛的微观力学和空气动力学优势】
作者基于上述单根缘边毛微观形貌表征及力学性能参数测量结果建立了真实缘边毛的三维模型，利用流固耦合仿真计算了缘边毛在生物相关气动载荷作用下的气动力学特性以及固体力学特性。流体仿真结果表明，缘边毛可以明显促进在其周围形成一个厚、低速的边界层，这个边界层“笼罩”了整个缘边毛区域，一定程度阻止了气体在缘边毛间的泄露量，并且缘边毛呈锥型，越靠近根部，G/D越小，缘边毛间的气体泄漏量减少，从而可以提升增阻效果。与长度和体积相同的圆柱型毛结构相比，真实的锥型缘边毛最大应力仅为1/6，沿轴向分布更均匀，这有助于在高频气动载荷作用下提高其疲劳寿命。此外，锥型缘边毛的最大形变量及弯曲角度仅为0.7 mm（0.22°），刚硬的缘边毛形变量是微乎其微的，这意味着，在翅膀拍动过程中，梳子翼可以保持其最大的投影面积以提供更多的气动阻力以供飞行。
图3缘边毛的微观力学与气动力学特性。
【低雷诺数下梳子翼拍动的气动力学特性】
作者建立了三维翅膀模型（BW-梳子翼模型，MW-与梳子翼具有相同外缘轮廓膜翼模型，SW-与梳子翼具有相同投影面积膜翼模型），利用瞬态CFD仿真分析了真实拍翅运动下梳子翼基于缘边毛诱导的非定常气动特性。研究发现翅膀拍动一个周期内，垂直升力大部分由翅膀产生的气动阻力提供，BW模型与MW模型一个周期内产生的平均气动阻力相近， MW模型气动阻力中以压力分量为主，然而，压力分量与粘性分量对BW模型气动阻力的产生贡献相当。由于BW模型中存在很多的缘边毛，每根缘边毛在与气流相切的表面均会产生壁面剪切力，由于缘边毛数量多且截面呈圆形，因此在不同攻角下皆能产生较大的剪切力，由此可以产生相当大粘性分量的气动阻力。此外，文章还提出由于BW模型的惯性功率较MW模型相比很小，而二者的气动功率十分相近，因此导致BW模型的总功率要远小于MW模型。因而，研究者发现：梳子翼昆虫是基于缘边毛诱导的被动粘性增阻机制，从而实现高效的主动扑翼飞行。
总结：微型飞行昆虫的梳子翼生物力学设计提供了一个巧妙的高效飞行解决方案，即在降低总体惯性载荷的同时，在能量成本和气动力产生之间进行了权衡。这使得微型飞行昆虫能够突破尺寸限制在空中停留。缘边毛这种新颖的设计，在微观力学和空气动力学等多方面为微纳系统器件开发提供了创新思路。微型昆虫的研究为昆虫的飞行研究开辟了令人兴奋的新方向，这可能会导致新的生物力学原理的发现。
相关研究的得到国家自然科学基金的大力支持(No. 52022008, 51975030, T2121003)。
图4三种翅膀模型拍动计算流体力学仿真结果。
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