昆虫齿轮可能会改变你看待工程学的方式

大自然充满了惊喜。这本身并不引人注目，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，我们的无知就暴露无遗了。

我们人类是精密工程的大师。我们认为，无论大自然做了什么，无论它多么成功，多么神奇，一定会有些潮湿、潮湿和柔韧。毕竟，轮子是我们发明的，不是吗?在大自然还在以马力运转的时候制造发动机和飞机。但是这种在精确度上的优越感真的总是合理的吗?

最近在英国的一项发现表明，事实并非如此，这个例子既可以理解，又难以接受。在科学来自剑桥大学(University of Cambridge)和布里斯托尔大学(University of Bristol)的马尔科姆•巴罗斯(Malcolm Burrows)和格雷戈里•萨顿(Gregory Sutton)描述了一种跳跃昆虫后腿上的机械装置，只能用齿轮、齿轮和其他所有东西来描述。

尽管这种结构以前已经被发现过，他们使用高速摄像机对其作用进行了调查，揭示了它的功能:这是已知的第一个啮合齿轮机构，不是铸造或锻造的，而是进化的。

微米级的精密工程

政务coleoptratus是一种在欧洲很常见的小型飞虱。这种生物不仅相对于其6毫米的体型(有时高达一米)可以跳得很远，而且速度也非常快。在两毫秒的刺激下，它能产生高达400g的加速度和高达每秒6米的速度。

萨顿在最近的文章中解释了这一行为“昆虫跳跃，一个古老的问题”为人类前沿科学计划他的研究是由他资助的。“这是容易,因为这些跳跃需要昆虫导航三个极其困难的生物力学的挑战:1)生成必要的权力,2)指挥权力通过腿来生成一个控制跳跃,和3)同步两条腿,这样微分腿扩展不会导致动物失去控制。为了解决这些问题，进化已经发展出了与人造设备惊人相似的生物结构:复合弓、机械连接，最令人惊讶的是，还有齿轮。”

当我们拉回弓时，昆虫会慢慢地在体内建立弹性能量，并保持其张力，直到快速释放允许材料本身的弹性放大力。当你在街上跑步时，你就会用腿和脚上的肌腱弹跳。袋鼠会这样做，“甚至受过教育的跳蚤也会这样做”(向科尔·波特道歉)。

这个强大的力，必须转化成一种能做功的形式，这就是机械连杆发挥作用的地方。飞虱利用腿部股骨/胫骨关节上的一小块肌肉来改变身体不弯曲的力量。一条腿为移动提供动力，另一条腿决定方向。不过，这个bug还有一个挑战，那就是使两条腿同步。

研究人员发现，在它的若虫期即coleoptratus使用等量的正齿轮来帮助它破纪录的飞跃。布伦斯和萨顿最初猜测，一定有某种机械结构可以做到这一点，因为时间太快了，无法由神经脉冲触发，而神经脉冲通常发生在5到6毫秒之间。

有。即coleoptratus它的后腿藏在身体下面，每条腿的第二个关节(转子)上都有一条齿轮带，当它的腿棘轮转动时，它的身体就会翘起来。这种网状结构可以防止动物向一边旋转，因为如果腿没有准确地同时开火，动物就会向一边旋转。事实证明，这是非常精确的:两条腿之间的弹跳距离在30万分之一秒内。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。

这些条纹有10到12个齿轮齿，形状不对称，看起来就像一个圆上的鱼鳍。每颗牙齿的宽度约为50微米，长度约为15至30微米，与相邻的牙齿之间的距离约为30微米。像自然界中的许多部件一样，这些部件也是由一种具有硬度和耐久性的复合材料制成的:在这种情况下，是昆虫世界中选择的以糖为基础的聚合物几丁质，以及一种蛋白质——硬壳素。

目前的假设是，像大多数跳跃昆虫一样，即coleoptratus可能一开始只是利用摩擦力协调跳跃腿;它的腿上有粗糙的区域，这些区域逐渐被自然地选择为粗糙的图案，然后变成更精确的齿轮。更精确的机械装置使着陆更精确，这可能是一个巨大的优势政务但对其他大多数跳跃者来说并非如此，他们显然没有沿着这条进化之路走下去。

即coleoptratus在最后的蜕皮过程中抛弃了这一优势，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，如果现在已经不再生长的动物发生意外，一颗破碎的牙齿就会不可挽回地失去功能。他们进一步推测，这种不寻常的不对称可能是一种优势，可以管理有限自由度的重复性运动中的磨损和撕裂。

可能的应用

对于共同发现者萨顿来说，这种适应意味着一种选择性的专业化，为人类技术专家提供了教训。“这些齿轮，”他说，是为了“在一个方向上实现高精度和高速”而设计的。这是一种新型齿轮的原型。”不对称直齿轮也可以是一个优势，如果更多的负载能力是想要更少的重量和尺寸。

在人类科技的世界里，齿轮通常是径向和对称的，所谓的渐开线齿轮是由著名的瑞士数学家莱昂哈德·欧拉发明的。它们可以被配置成任意数量的几何阵列，这样它们就可以互相啮合在一起。你汽车上的万向驱动桥齿轮就是很好的例子。与昆虫品种相似的不对称的马刺(或齿)轮相对少见。

如果高负荷，单向应用要求精度和速度，似乎这种类型的齿轮可能是一个很好的候选人进一步发展。我当然会想到弹道学，也会想到目前使用弹簧的任何东西:水密门或气密门的锁或开启器，紧急抛绳或救生艇发射装置，重复性的力工具。

当然，其中一个关键是设备材料能够存储的能量量，以及相对于所需力产生的放大效果。在这方面，大自然似乎击败了我们，至少在普通材料方面。杜克大学(Duke University)名誉教授史蒂文·沃格尔(Steven Vogel)博士表示，胶原蛋白是人体肌腱和骨骼中的一种天然蛋白质，相对于其重量，它所能承载的能量是弹簧钢的20倍。

我们是否有可能从中学到其他东西我。coleoptratus？Burrows和Sutton指出，凸轮状条纹上的齿在其底部有弯曲的圆角，这减少了它们被剪断的可能性，这与机械零件非常相似。他们还表明，牙齿中的复合材料在功能上是分级的，在混合中需要更多的蛋白质，而不是硬度。这是自然界常见的策略，在你自己的骨骼中也很明显。

在自然界和科技中，我们看到了长期使用弹性储能做功，特别是在需要速度和强大力量的情况下。利用材料的内部结构和时间，先存储再放大力，意味着在达到极致性能的同时节省能源。在你的工作中听起来是必要的吗?也许我们都该仔细看看那只小虫子，政务coleoptratus．

顶部图像的齿轮Stefan W通过Flickr。