六条腿的几何力学-告诉你为啥昆虫能跑那么快

自然界中的生物为了适应环境，经过亿万年进化，已经形成了可以适应环境的独特器官以及完美的身体结构，昆虫相关工作...



自然界中的生物为了适应环境，经过亿万年进化，已经形成了可以适应环境的独特器官以及完美的身体结构，昆虫相关工作器官无论从形态结构还是工作方式都已经近乎完美。爬行是有足动物的一项基本的运动形式，昆虫的爬行速度在整个动物界可以说是首屈一指，敏捷的速度可以使昆虫快速寻找到食物，躲避天敌袭击。

像我们前面说过的虎甲以虎之名，呼唤虎甲，其奔跑速度就可达时速1000公里，已经接近于音速，基本相当于一般民航客机的巡航速度，是一级方程式赛车车速的两倍有余。而像蟑螂、瓢虫则可以轻易的在天花板、墙壁上爬行不掉落。随着仿生机器人研究的发展，我们也发现六足机器人远比车轮机器人更适应不同的地理环境。 

那么拥有六条腿的昆虫又是如何做到协调不同的足来稳定而快速的行进呢？

我们都知道三角形是最稳固的结构，昆虫一共6条腿，每侧3条，每条5节。它行走不可能同时将6腿迈动。也不能像其他2、4足动物那样同时迈动一侧足,否则身体就会悬空或者摔倒。所以昆虫把6足分成2组，第一组由右前足、左中足、右后足组成。另外一组由左前足、右中足、左后足组成。昆虫向前爬行一步,身体就用两组中的一组支撑身体，另外一组则稍举起脱离地面向前迈进。这样昆虫始终被一个十分稳定的3角结构支撑着。一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动,支撑身体,并以其中足为支点,前足胫节的肌肉收缩,拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩,将虫体往前推,因此身体略作以中足为支点的转动,同时虫体的重心落在另一组“三角形支架”的三足上,然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来,因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法。也就是说昆虫爬行时肢体间的姿态完全是按照基本的几何力学原理构架，完美的实现了爬行时的运动稳定性。

仔细观察昆虫的爬行就会发现,它先由一组足的前足向前伸出，并且用附节上的钩爪抓住物体表面，起到向上拉的作用，另一侧的中足特别是同侧的后足，便尽量伸开足上的节，把身体推进。由于前足后足长度不同，后足向前用力的时候，便将离开地面的中足与身体偏转向前进路线的一方，使得身体中轴倾斜。当另一组足的前足抬起的时候，为了让身体向前行进，向与身体相反方向伸，后足用力推进，又将身体扭向另一方向.。于是,昆虫实际上以“之”字形的爬行路线前进。有了这种步态和行进方式，即使因快速爬行，大脑系统无法及时处理信息，昆虫自身的力学结构也可以维持身体平衡。

也许有人会问，为什么我们要无聊的研究昆虫如何走路？这样的研究方法不是再造一个昆虫的爬行运动，而是再造一个生物学意义上的类昆虫爬行运动，这就是仿生学的含义。

事实上这是一种较为合理的控制策略，可以使神经系统从繁杂的运动控制中解放出来，处理更为高级的控制任务，如路径规划，避障以及决策等，以减少神经计算的负担。这一控制策略已经引起了研制行走机器人的科研人员的注意，因为这一控制策略在减少耗能等方面意义重大，并在此理论上研制了一系列被动动态机器人，表现出了相当自然的节能行走步态。

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