前線科普：來自大自然的仿生靈感-蜻蜓幼蟲的彈射嘴巴

圖一、蜻蜓幼蟲－水蠆的彈射嘴巴模型（S. Büsse et. al. , Sci. Robot 2021）

可以脫臼的下巴－彈射式口器

      蜻蜓成蟲與稚蟲（幼蟲）期有著截然不同的生活環境與覓食方式，成蟲是飛翔在天空的昆蟲霸主，主動突擊弱小的飛蟲；稚蟲也稱作「水蠆」，大多為水棲型，不同於成蟲的衝鋒陷陣，它們融入環境，坐等適當的獵物靠近，迅速彈射出口器，像個飛天捕獸夾一樣，把大餐夾回來大快朵頤。整個獵捕過程，僅僅不到ㄧ秒鐘，所以得利用高速攝影機才能拍攝下完整的情節。

      這樣高速彈射的機制是如何運做的呢？其實很多生態學家與工程學家也很感興趣。過去的研究認為高速的驅動力來自腹部肌肉快速收縮，產生的液壓像渦輪引擎推動口器關節，迅速彈射出去。但最近發表在Science Robotics的研究推翻這樣的假說，科學家藉由高速攝影機、微米級電腦斷層掃描與機器人模擬，驗證水蠆口器具有兩組獨立運作的彈簧彈射系統。當要發起攻擊時，兩組彈射系統可以同步啟動，讓肌肉的收縮力道被調變放大，將口器迅速地發射出去，夾住目標物。

影片一、水蠆捕食（Sci. Robot 2021）

圖二、彈射嘴巴的肌肉控制歷程（S. Büsse et. al. , Sci. Robot 2021）

昆蟲的外骨骼是絕佳的彈性材料

      昆蟲和甲殼動物外骨骼是由幾丁質組成，同時具有輕巧與堅固的特性，再加上彈性蛋白（resilin）的協助，這種複合材料就可以成為絕佳的生物性彈簧，具有相當高的彈性與剛性係數，讓昆蟲和甲殼動物可以把肌肉收縮力調變轉換成出色的彈力輸出，並且超過脊椎動物的肌肉運動極限。小鵪鶉的飛行肌是目前知道最有力的肌肉種類之一，在起飛時功率輸出最大可達400 W kg⁻¹（這是一個相當有趣的發現，不太會飛的鳥卻有爆發力的肌肉），然而一種葉蚤（會彈跳的金花蟲）透過彈性外骨骼輸出功率至少可以達到714 W kg⁻¹，而本研究的水蠆估算可達2114 W kg⁻¹，儘管如此還是比海洋裡的螳螂蝦（4.7 × 10⁵ W kg⁻¹）少了一個級數。

        研究員藉由微米電腦斷層掃描（𝜇CT）發現在伸縮口器的兩個關節處，都有一個彈力骨片連接著肌肉，當肌肉收縮時拉動骨片變形，把肌肉原本的動能轉換成彈性位能。隨著水蠆瞄準好獵物，會放鬆一塊「鎖肌（locking muscle）」，讓骨片變形回原狀，把彈性位能瞬間轉變回動能，彈射出口器，夾住獵物後再藉由肌肉拉回來。

影片二、水蠆口器與捕食動作動畫，修改自微米電腦斷層掃描的數據。（Sci. Robot 2021）

仿生機器人驗證雙彈力系統的協同合作

最後學者進一步組裝仿生水蠆口器，實際運作生物觀測發現到的力學模型，驗證這樣的生物物理猜想。另外發現兩個彈性骨片可成獨立的彈射系統，但是也可以協同同步運作成一個合成動力鍊。不同系統作動強度的變化組合，可以改變口器射出的彈道軌跡，讓水蠆可以更機動的調控軌道方向，增加操控性與敏捷性。

      這樣的一個發現與驗證過程，可作為未來機器人開發的靈感來源，運用昆蟲外骨骼的彈性材料，配合水蠆的雙彈射系統的口器，讓機器人可以調變更高的功率輸出，並且還有高度可控性與敏捷性。

影片三、仿生機器人模擬水蠆的獵食動作。（Sci. Robot 2021）

參考資料
S. Büsse et. al. A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics of the dragonfly larvae’s predatory strike (Sci. Robot 2021)
https://robotics.sciencemag.org/content/6/50/eabc8170

影片ㄧ、水蠆捕食

S. Büsse et. al. A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics of the dragonfly larvae’s predatory strike (Sci. Robot 2021)
Supplementary Materials
https://robotics.sciencemag.org/content/suppl/2021/01/14/6.50.eabc8170.DC1
Movie S3 (.mp4 format). Anax sp. (Odonata: Anisoptera), high-speed videography of recoil prevention, 5400 fps.

影片二、水蠆口器與捕食動作動畫，修改自微米電腦斷層掃描的數據。

S. Büsse et. al. A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics of the dragonfly larvae’s predatory strike (Sci. Robot 2021)
Supplementary Materials
https://robotics.sciencemag.org/content/suppl/2021/01/14/6.50.eabc8170.DC1
Movie S2 (.mp4 format). Fictive 3D animation of the predatory strike, based on CT data.

影片三、仿生機器人模擬水蠆的獵食動作。（Sci. Robot 2021）

S. Büsse et. al. A controllable dual-catapult system inspired by the biomechanics of the dragonfly larvae’s predatory strike (Sci. Robot 2021)
Supplementary Materials
https://robotics.sciencemag.org/content/suppl/2021/01/14/6.50.eabc8170.DC1
Movie S5 (.mp4 format). Bioinspired robotic model, videography of the proof of the concept, and loading experiments.