昆虫齿轮可以改变你看待工程的方式

大自然充满了惊奇。这本身并不显著，因为我们对她的内在运作知之甚少。然而，当我们的一个假设受到挑战，我们不得不重新调整我们的世界观时，我们的无知就得到了彻底的缓解。

我们人类是精密工程的大师。无论大自然做什么，不管它多么成功，多么神奇，我们都认为它一定是有点邋遢、潮湿和弯曲的。毕竟，我们发明了轮子，不是吗？在大自然仍在以马力运转的时候制造马达和飞机。但这种精度优越感真的总是合理的吗？

英国最近的一项发现表明事实并非如此，这个例子是可以理解的，也很难接受。在科学类，Malcolm Burrows和Gregory Sutton（分别来自剑桥大学和布里斯托尔大学）描述了跳跃昆虫后腿上的一种机制，这种机制只能被描述为齿轮、齿轮等。

尽管这一结构之前已经被发现，但他们使用高速摄像机对其作用的调查揭示了它的功能：这是已知的第一个不是铸造或锻造的啮合齿轮机构，但它已经进化。

微米级精密工程

卷叶松飞虱是欧洲常见的一种小飞虱。这种生物不仅可以相对于其6毫米大小（有时高达一米）跳远，而且跳得非常快。在刺激后的两毫秒内，它会产生高达400克的加速度和高达每秒6米的速度。

萨顿在最近的一篇文章中解释了这一行为“昆虫跳跃，一个古老的问题”对于人类前沿科学计划他是他的研究的赞助人。“这绝非易事，因为这些跳跃需要昆虫应对三个极其困难的生物力学挑战：1）产生必要的力量，2）通过腿部引导力量以产生受控跳跃，以及3）使两条腿同步，以便不同的腿部伸展不会导致动物失去控制为了解决这些问题，进化已经开发出与人造装置惊人相似的生物结构：复合弓、机械连接，最令人惊讶的是齿轮。”

当我们向后拉弓时，昆虫会慢慢地在体内积累弹性能量，并将其保持在张力中，直到快速释放使材料本身的弹性放大力。当你在街上跑步时，用你腿上和脚上的肌腱蹦来蹦去。袋鼠这样做，“甚至受过教育的跳蚤也这样做”（向科尔·波特道歉）。

这种强大的力必须转化为一种能做功的形式，而这就是机械连接发挥作用的地方。稻飞虱利用腿部股骨/胫骨关节中的一块小肌肉来重新定向伸直身体的力量。一条腿推动动作，另一条腿决定方向。不过，这个bug还有一个挑战，那就是同步两条腿。

研究人员发现，在它的若虫期一、coleoptratus使用相当于正齿轮的齿轮来帮助其破纪录的飞跃。Burrows和Sutton最初猜测，一定有某种机械结构可以做到这一点，因为时间太快，神经脉冲无法触发，通常会在5到6毫秒范围内触发。

有。一、coleoptratus它的后腿蜷缩在身体下面，在离身体第二个关节（大转子）的每条腿上都有一个齿轮带，当动物用棘轮转动它的腿以翘起身体准备弹簧时，它会与配偶啮合。这种网状结构可以防止动物向一侧旋转，因为如果腿不同时开火，动物就会这样做。事实证明，这是非常精确的：两条腿之间的距离不超过1/300000秒。这种偏航控制对于需要降落在目标上以获取食物或躲避捕食者的生物来说是一个重要的优势。

这些条状物有10到12个轮齿，形状不对称，看起来就像是圆的一部分上的鱼翅。每颗牙齿的宽度约为50微米，长度约为15至30微米，与相邻牙齿的距离约为30微米。就像自然界中的许多部件一样，这些部件也是由一种硬度和耐久性兼备的复合材料制成的：在这种情况下，甲壳素是昆虫界首选的糖基聚合物，而硬化素是一种蛋白质。

目前的假设认为，像大多数跳跃的昆虫一样，一、coleoptratus可能一开始只是用摩擦来协调它的跳跃腿；腿上有粗糙区域，逐渐被自然选择为图案粗糙，变成更精确的齿轮。更精确的机械装置能够实现更精确的着陆，这可能是一个巨大的优势伊索斯但对大多数其他跳高运动员来说，情况并非如此，他们显然没有沿着这条进化道路走下去。

一、coleoptratus在最后的蜕皮过程中放弃了这一优势，成虫使用更常见的摩擦垫来调整弹簧动作的时间。研究人员推测，这可能是因为如果现在不再生长的动物发生事故，断牙会导致无法挽回的功能丧失。他们进一步推测，这种不寻常的不对称性可能是控制自由度有限的重复运动中磨损的一个优势。

可能的应用

对共同发现者萨顿来说，这一改编预示着一种选择性的专业化，为人类技术专家提供了经验。“齿轮，”他说，是为“一个方向的高精度和高速度而制造的。这是一种新型齿轮的原型。”如果需要更大的承载能力以减轻重量和尺寸，不对称正齿轮也可能是一种优势。

在人类技术领域，齿轮通常是径向对称的，瑞士著名数学家莱昂哈德·欧拉发明了所谓的渐开线齿轮。它们可以配置为任意数量的几何阵列，以便相互啮合。汽车上的通用变速驱动桥齿轮就是很好的例子。与昆虫种类相似的不对称的直齿（或齿形）轮子比较少见。

如果高负载、单向应用需要精度和速度，则这种类型的齿轮可能是进一步开发的良好候选齿轮。弹道学当然会出现在人们的脑海中，就像目前弹簧加载的任何东西一样：水密或气密门的锁或开启器、紧急升降绳或救生艇发射器、重复用力工具。

当然，其中一个关键是装置材料能够储存的能量以及相对于所需力产生的放大。在这方面，大自然似乎击败了我们，至少在普通材料方面是如此。杜克大学名誉教授史蒂文·沃格尔博士说，胶原蛋白是肌腱和骨骼中的一种天然蛋白质，相对于其重量而言，其能量是弹簧钢的20倍。

我们也有可能从中学到其他东西吗一,。coleoptratus? Burrows和Sutton指出，凸轮状条带上的齿在其底部有弯曲的圆角，这降低了剪切的可能性，与机加工零件非常相似。他们还建议，牙齿中的复合材料在功能上是分级的，混合物中含有大量的蛋白质，其中耐久性比硬度更重要。这在本质上是一种常见的策略，在你自己的骨子里也很明显。

在自然界和科技领域，我们已经看到弹性储能长期用于做功，特别是当需要速度和强大的力量时。利用材料的内部结构和时间，先存储力，然后放大力，这意味着在实现极端性能时节约能源。听起来你的工作有必要吗？也许我们都应该仔细看看那只小虫子，伊索斯coleoptratus.

齿轮的顶部图像由斯特凡W通过Flickr。