图：蜜蜂能操控它们的腹部向下弯曲

当蜜蜂在花朵从中飞来飞去、采集花蜜的时候，它们的腹部会不停地伸缩和弯曲运动。2015年，我国研究人员用高速摄影机观察了蜜蜂在飞行及在受到约束时如何弯曲它们的腹部；他们证实，蜜蜂能操控它们的腹部形状，但它们只能向一个方向弯曲，这就是向下，朝着蜜蜂身体底侧弯曲。

为了揭示蜜蜂腹部的变形运动机理，清华大学机械系阎绍泽教授课题组用高速摄影机观察蜜蜂在飞行及在受到约束时如何弯曲它们的腹部，研究发现蜜蜂能操控它们的腹部形状，其腹部具备高频伸缩和向腹部内侧大角度弯曲的特殊运动能力。该研究成果以“蜜蜂腹部伸缩运动的关键结构：节间褶”为题近日发表在美国《昆虫科学杂志》，论文发现了蜜蜂节间褶的超微结构型式，阐明了节间褶超微结构在蜜蜂腹部特殊运动功能上发挥的关键作用，揭示了蜜蜂腹部高频伸缩和弯曲变形的运动机制。

图：研究人员用高速摄影机揭示蜜蜂腹部的变形运动机理实验示意图

采用扫描电镜和同步辐射相衬CT技术在亚微米尺度上观察分析蜜蜂背腹板的连接结构，发现了蜜蜂节间褶（节间褶是连接蜜蜂腹部体节之间的柔性结构）的超微结构型式，蜜蜂背侧和腹侧的节间褶在结构上存在较大差异，其构型分别为Z型和S型，这种超微结构在蜜蜂腹部实现高频伸缩和向腹部内侧的大角度弯曲上发挥了主要作用。节间褶连接着韧性的外板，使得每一蜜蜂腹节不只附着于其毗邻腹节，而且还能向内滑入毗邻腹节。研究还发现蜜蜂吸食花蜜时，其腹部进行高频的“呼吸”运动，配合口器吸食动作，提高了饮食效率。

蜜蜂腹部结构启发高性能空天飞行器设计

蜜蜂节间褶的”Z-S”构型具有高度机动的伸缩能力和单侧弯曲变形能力，这一发现对设计高机动性和特殊变形需求的空间几何变体结构如空天变体飞行器结构具有很大的启发。

空天飞行器经历在大气层和太空中飞行，并再入大气层等复杂环境，在不同飞行阶段有不同的最优气动构型要求。借鉴节间褶的”Z-S”构型，探索能自主地改变气动外形的头锥结构，通过上升段和再入段的头锥钝度变化来改善受热分布、消除激波阻力，这也许是研制新型高性能空天飞行器的一种有效途径。

文章链接：

Jieliang Zhao, Shaoze Yan, Jianing Wu, "Critical Structure for Telescopic Movement of Honey bee (Insecta: Apidae) Abdomen: Folded Intersegmental Membrane," Journal of Insect Science, 16(1),  DOI: http://dx.doi.org/10.1093/jisesa/iew049

阎绍泽教授简介：

北京市清华大学机械工程系教授，博导，Email：yansz@mail.tsinghua.edu.cn

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研究方向：

1.机械系统动力学：连接间隙非线性是影响机器运行精度的主要因素之一。采用弹性接触理论，研究了连接间隙的近似协调接触模型，提出了三维间隙模型。引入单边约束和变拓扑结构动力学理论，建立了含间隙的多体系统动力学模型，研究了间隙局部非线性对系统全局非线性特性的影响，探讨了连接铰间隙配合的选取问题。运用多体动力学方法，研究了超精密机械系统几何误差和热误差预测方法。

2.航天动力学与可靠性：针对航天器机械臂，探讨了行星传动关节和谐波传动关节动力学建模问题，分析了航天机械臂在太空热环境下运行时的动力学行为。对星箭解锁分离动力学进行了系统研究，给出了动力学建模方法，探讨了包带组件的分离包络和各类冲击对星箭动力学行为的影响，分析了星箭解锁分离的失效模式。对航天太阳电池阵在压缩状态、展开与锁定过程，以及在轨运行的动力学和可靠性进行了系统研究，探讨了太阳电池阵压缩状态振动、展开锁定动力学和在轨运行中热振等关键问题，分析了太阳电池阵失效模式和运行可靠性。对导弹级间段分离、大型整流罩解锁－抛离、空间站伸展机构展开-锁定等进行了动力学特性的全局预测仿真模拟。

3.智能结构与昆虫仿生：研究了智能材料结构/机构设计理论与方法，探讨了智能元件和典型智能机构设计与分析问题。设计了一种具有感知和驱动功能的压电主动杆；研究了典型智能材料元件（压电双晶片、SMA差动弹簧驱动器、主动杆等）的机电耦合特性；研制了3种智能材料元件驱动的组合式机构：压电驱动的微动机器人、SMA驱动的柔性手爪和压电双晶片驱动的步进转动机构，分析了自适应结构振动抑制措施。基于智能材料结构对空天飞行器变形控制进行了概念设计。利用宏微观测试手段，研究了昆虫（蜜蜂）形态与运动行为，开展了昆虫仿生研究。

（本文信息来源：清华大学机械工程系网站；由e科王整理编辑；）

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