受瓢虫启发，高精密3D打印揭示剥离制动的力学机制！

频道：技术日期：2026-05-27 浏览：10

来源：仿生界面及未来制造实验室
自然界中，为适应复杂环境下的行为需求，生物表面具备许多独特的微纳结构功能性阵列，为仿生功能材料的设计与制造提供了丰富灵感。近期，仿生界面及未来制造实验室研究人员以七星瓢虫（Coccinella septempunctata）为研究对象，揭示其在斜坡滚转过程中依靠足部盘状刚毛与粘性分泌物协同实现剥离制动的力学机制，有望为开发新型的MEMS制动系统提供思路。
研究成果以“Braking Mechanism of Ladybird Foot Setae during Slope Rolling”为题发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。中山大学硕士研究生江毅玲和本科生唐泊宁为共同第一作者，中山大学吴嘉宁副教授为通讯作者。

七星瓢虫是一种具有圆穹状鞘翅的鞘翅目昆虫，其在斜坡滚转过程中表现出独特的制动能力。研究人员针对瓢虫足部刚毛的结构特性及其在斜坡滚转制动过程中所展现的力学行为、运动学特性展开研究，发现瓢虫足部末端分布有大量结构独特的盘状刚毛，其表面覆盖有粘性分泌物。

图1. 瓢虫足部的形态。

在滚转过程中，具有完整足部的活体瓢虫能够通过功能性足部刚毛与斜面间反复发生“接触-剥离”作用，从而在极短时间内有效降低角速度，快速耗散动能，实现稳定的剥离制动效应。实验数据显示，每次剥离可使角速度降低约22.57 rad/s，活体有足瓢虫在平均3次翻滚后即可停止，制动成功率达77.5%。

图2. 瓢虫在斜面上滚动与制动的运动学分析。

此外，本文构建了刚毛剥离制动力学模型，系统解析瓢虫制动策略及能量耗散机制。经过对比得到，理论模型预测的剥离前后能量耗散与实验计算所得具有相同数量级，验证了模型的准确性与可行性，为仿生设计提供了理论支持。

图3. 剥层制动策略分析。

进一步，研究团队提出一种仿瓢虫足部刚毛的微型制动装置，设计并采用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度：2μm）制备了一种融合盘状刚毛仿生微结构与模拟分泌物层的微型制动装置。通过滚转制动性能测试，结果表明该仿生装置展现出优异的制动响应能力与能量耗散效率，具有良好的制动性能。