论文标题：Analysis of Structure and Function of Ladybird Leg and Subsequent Design and Fabrication of a Simplified Leg Structure for Robotic Applications

论文链接：https://www.mdpi.com/2313-7673/9/3/184

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

导读

瓢虫等昆虫依靠足垫上刚毛产生的分子间作用力，能够在多种表面实现垂直或倒立行走。本研究基于聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 仿生刚毛黏附结构，结合瓢虫腿部形态与运动学分析 (通过3D X射线显微镜与高速显微镜观察肌腱位置)，设计并3D打印了含销钉关节的简化瓢虫腿结构。研究初步验证了此类仿生瓢虫腿在水平、倾斜或垂直表面上实现小型机器人吸附/脱离的可行性与应用潜力。

主要内容

为开发仿昆虫步行机器人，本研究使用高速显微镜观测了成年瓢虫 (Coccinella septempunctata) 在三节跗节支撑下的行走过程，并对其从接触到脱离光滑表面的动作序列进行了记录，归纳出七种步态模式。观察发现，瓢虫行走时并非将跗节垫片 (T1、T2) 完全贴附于基底，而仅使用其1/2至1/4的接触面积，以实现行走过程中的平稳质心转移。腿部初始运动可分为四类：单独抬起T2、单独抬起T3、单独抬起T1，及同时抬起T1、T2和T3。

图1. 瓢虫足部与基质分离时跗节的运动类型

在完成瓢虫腿部形态与肌腱排列研究的基础上，项目下一步设计了基于真实瓢虫腿的简化结构。最初采用纸管与吸管搭建了基础模型，将昆虫腿部的复杂关节简化为销钉连接，并以线模拟肌腱。通过分析销钉连接构件的运动，归纳出两种独立的运动模式，分别对应跗节与基底表面的吸附与脱离，且与真实瓢虫的运动高度吻合：

•吸附模式：跗节元件T2先向下运动 (通过T1–T2销钉转动)，随后T1向下运动 (通过T1–胫节销钉转动)，便于吸附平面，尤其适用于曲面或圆柱面；

•脱离模式：顺序相反，T2先抬起，随后T1抬起，实现跗节从基底表面的脱离。

图2. 基本的纸板铰接模型，包含：(a) 膝盖部件 (T1 和 T2)；(b) T2 元素向下移动，随后 T1 移动 (连接)；以及 (c) T2 向上移动，随后 T1 移动 (分离)

基于前期纸板模型积累的经验，研究利用CAD软件Rhinoceros 5设计了一款基于瓢虫腿部结构的销钉连接仿生腿。该设计经过多轮迭代与优化，最终版本如图所示。为便于后续集成PDMS黏附结构，在两个跗节元件底面增加了方形垫片。

图3. 最终版简化瓢虫腿部CAD结构设计图

在完成仿生腿的组装及PDMS黏附结构集成后，利用小型伺服电动拉伸试验机 (IMADA) 开展了脱离力测试实验。测试时，胫节垂直固定于夹具中，跗节置于倾斜台面，黏附结构与测试基底贴合。基底以双面胶固定于斜台，横梁以25 mm/min的速度向上位移 (单轴拉伸)，直至跗节脱离基底，力值由50 N传感器记录。

实验分为两步：先测试无黏附条件下克服重力与摩擦所需的抬升力；再以经丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗的玻璃载玻片为基底，测试黏附脱离力。此外，还考察了改变胫节与基底夹角 (通过调整斜台角度) 对脱离力的影响。

图4. 用于测量粘附力/提升力的实验装置

为模拟实际应用中可能遇到的潮湿环境，实验在清洁玻璃表面引入水滴，评估湿态条件对脱离力的影响，并与干态结果进行对比。此外，研究还采用了厚度1 mm、硬度50 Shore A的硅橡胶软基底 (固定于玻璃载玻片，清洁方式同玻璃)，重点考察仿生腿的爪部 (尤其是胫节元件上的爪) 在脱离过程中能否刺入软表面，从而发挥杠杆或锚定作用。

文章总结

本研究通过3D X射线显微镜与高速显微镜，深入解析了瓢虫腿的形态与功能，首次发现瓢虫腿部存在双肌腱结构 (不同于苍蝇)，可能参与跗节T2 (及T3) 的垂直运动或旋转。基于此，研究设计并制备了销钉连接的简化仿生腿，实现了与真实瓢虫腿相似的功能与肌腱配置。集成PDMS黏附结构后，跗节垫在干、湿表面均表现出强黏附力 (部分超过6 N)，足以支撑小型机器人重量，且通过远程控制线性驱动可实现成功脱离。

综上，本研究验证了基于瓢虫腿的简化结构在小型机器人吸附/脱离操作中的应用可行性。

原文出自 Biomimetics 期刊

Mercer, C.; Hosoda, N. Analysis of Structure and Function of Ladybird Leg and Subsequent Design and Fabrication of a Simplified Leg Structure for Robotic Applications. Biomimetics 2024, 9, 184.

期刊介绍

主编: Prof. Dr. Stanislav N. Gorb, University of Kiel, Germany

Biomimetics (ISSN 2313-7673) 是一个国际型开放获取英文学术期刊，致力于发表仿生学与仿生技术领域的最新研究成果。期刊内容从生物体的基本机制出发，深入探讨生物特性在人类应用领域中的转化与应用。本刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术以及生物医学领域的研究人员搭建高水平的交流平台，鼓励通过生物启发式设计解决复杂问题，推动工程技术与生物医学领域的可持续创新。期刊已被Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed, PMC, Ei Compendex, CAPlus / SciFinder等数据库收录。

2025 Impact Factor: 4.2

2025 CiteScore: 6.2

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Acceptance to publication：3.5 days