Passive wing deployment and retraction in beetles and flapping microrobots

要約

鳥、コウモリ、および多くの昆虫は、羽を体に押し付けて、翼を展開して動力飛行することができます。
鳥やコウモリはよく発達した胸筋と翼の筋肉と腱を使用しますが、翼の展開と格納のメカニズムは昆虫の種によって異なるため、昆虫がこれらの動きをどのように制御するかは不明のままです。
カブトムシ (鞘翅目) は、最も複雑な羽の機構の 1 つを示します。
たとえば、カブトムシでは、翅の展開は、エリトラを完全に開き、腹部から後翅を部分的に解放することによって始まります。
その後、カブトムシは羽ばたきを開始し、後翅の付け根を持ち上げ、羽の先端を折り紙のように広げます。
折り紙のような襞については広く研究されているが、胸部の筋肉によって駆動されると考えられている後翅基部の展開と収縮についてはあまり注目されていない。
今回我々は、高速カメラとロボットによる羽ばたきモデルを用いて、カブトムシが筋肉活動を必要とせずに後翅を楽に飛行位置まで持ち上げることができることを実証した。
エリトラを開くと、バネのように後翼が体から部分的に解放され、その後の羽ばたき動作に必要な隙間ができ、後翼を飛行位置に戻すことができることを示します。
この結果は、カブトムシが飛行後、エリトラを利用して後翅を静止位置に押し戻すことができることも示しており、受動的展開メカニズムの仮説をさらに強化しています。
最後に、安定した制御飛行のために翼を受動的に展開し、着陸時に翼をきちんと格納する羽ばたきマイクロロボットを使って仮説を検証します。これは、昆虫のような飛行マイクロマシンの設計に対するシンプルかつ効果的なアプローチを提供します。

要約(オリジナル)

Birds, bats and many insects can tuck their wings against their bodies at rest and deploy them to power flight. Whereas birds and bats use well-developed pectoral and wing muscles and tendons, how insects control these movements remains unclear, as mechanisms of wing deployment and retraction vary among insect species. Beetles (Coleoptera) display one of the most complex wing mechanisms. For example, in rhinoceros beetles, the wing deployment initiates by fully opening the elytra and partially releasing the hindwings from the abdomen. Subsequently, the beetle starts flapping, elevates the hindwings at the bases, and unfolds the wingtips in an origami-like fashion. Whilst the origami-like fold have been extensively explored, limited attention has been given to the hindwing base deployment and retraction, which are believed to be driven by thoracic muscles. Using high-speed cameras and robotic flapping-wing models, here we demonstrate that rhinoceros beetles can effortlessly elevate the hindwings to flight position without the need for muscular activity. We show that opening the elytra triggers a spring-like partial release of the hindwings from the body, allowing the clearance needed for subsequent flapping motion that brings the hindwings into flight position. The results also show that after flight, beetles can leverage the elytra to push the hindwings back into the resting position, further strengthening the hypothesis of a passive deployment mechanism. Finally, we validate the hypothesis with a flapping microrobot that passively deploys its wings for stable controlled flight and retracts them neatly upon landing, which offers a simple yet effective approach to the design of insect-like flying micromachines.

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