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北京理工大学科研团队揭示蜜蜂腹部具毛表面的减阻机制


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日前,北(bei)京理(li)工(gong)大(da)学(xue)机械与(yu)车辆学(xue)院赵杰(jie)亮(liang)(liang)副(fu)教授(shou)(shou)(shou)团队与(yu)清(qing)华大(da)学(xue)阎绍(shao)泽教授(shou)(shou)(shou)合作(zuo)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成果“Hairy-Layer Friction Reduction Mechanism in the Honeybee Abdomen”(作(zuo)者(zhe):王(wang)明岳,陈(chen)炜铧,赵杰(jie)亮(liang)(liang),余丽,阎绍(shao)泽),以(yi)直接投稿(Direct Submission)、研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)性论文(wen)(Research Article)形式在(zai)国际权(quan)威期刊《ACS应用材料与(yu)界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)在(zai)线发表。北(bei)京理(li)工(gong)大(da)学(xue)为论文(wen)第一(yi)通讯单(dan)位,第一(yi)作(zuo)者(zhe)王(wang)明岳是我校赵杰(jie)亮(liang)(liang)副(fu)教授(shou)(shou)(shou)与(yu)清(qing)华大(da)学(xue)阎绍(shao)泽教授(shou)(shou)(shou)联(lian)合指导的硕士研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生;赵杰(jie)亮(liang)(liang)副(fu)教授(shou)(shou)(shou)和阎绍(shao)泽教授(shou)(shou)(shou)为该论文(wen)共同通讯作(zuo)者(zhe)。

我们常说(shuo)“像(xiang)蜜(mi)蜂(feng)一样(yang)工作(zuo),像(xiang)蝴蝶一样(yang)生活”,每当看到蜜(mi)蜂(feng)在花(hua)丛中忙碌的(de)(de)(de)身影就(jiu)很容易理解这句话的(de)(de)(de)由来了。蜜(mi)蜂(feng)作(zuo)为(wei)一种集群生活的(de)(de)(de)社会性(xing)昆虫,虽然没有(you)人类发(fa)达的(de)(de)(de)语(yu)言沟通能力,但是凭借其精巧的(de)(de)(de)身体(ti)结构,可(ke)完成(cheng)丰富多样(yang)的(de)(de)(de)肢体(ti)动作(zuo),同(tong)(tong)样(yang)具(ju)备了较为(wei)完备的(de)(de)(de)语(yu)言沟通技能,其中腹(fu)部的(de)(de)(de)往(wang)复弯(wan)曲和伸缩发(fa)挥了不可(ke)替代的(de)(de)(de)作(zuo)用(yong)。该论文(wen)首次阐述了蜜(mi)蜂(feng)微小的(de)(de)(de)毛(mao)发(fa)可(ke)以减(jian)少腹(fu)部分节结构间相对运(yun)动产生的(de)(de)(de)摩擦(ca),为(wei)蜜(mi)蜂(feng)辛勤劳作(zuo)的(de)(de)(de)日(ri)常活动节省能量,同(tong)(tong)时减(jian)少腹(fu)部结构的(de)(de)(de)磨(mo)损。

蜜(mi)(mi)蜂(feng)腹(fu)(fu)部由几组坚硬(ying)的(de)(de)背(bei)板(ban)和腹(fu)(fu)板(ban)分(fen)节(jie)嵌(qian)套构成,在(zai)蜜(mi)(mi)蜂(feng)整个生命周期中(zhong),其腹(fu)(fu)节(jie)间的(de)(de)相对运动次(ci)数(shu)可(ke)达数(shu)千万(wan)次(ci)。当腹(fu)(fu)部弯曲(qu)和伸展时(shi),相邻背(bei)板(ban)(腹(fu)(fu)板(ban))间相互(hu)滑动,必(bi)然(ran)会(hui)产(chan)生摩(mo)擦(ca)(ca)。然(ran)而,研(yan)究(jiu)(jiu)团队实(shi)际(ji)观测(ce)发(fa)现相互(hu)嵌(qian)套的(de)(de)腹(fu)(fu)节(jie)结构却几乎没有磨损(sun),这一发(fa)现让他们(men)(men)感到困惑。为此(ci),研(yan)究(jiu)(jiu)团队开展了(le)(le)(le)蜜(mi)(mi)蜂(feng)腹(fu)(fu)部的(de)(de)减阻机(ji)理研(yan)究(jiu)(jiu),他们(men)(men)在(zai)扫描电(dian)子(zi)显微(wei)镜下(xia)观察了(le)(le)(le)蜜(mi)(mi)蜂(feng)的(de)(de)腹(fu)(fu)部结构及表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)形(xing)貌,发(fa)现在(zai)腹(fu)(fu)节(jie)外表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)分(fen)布(bu)了(le)(le)(le)大量(liang)的(de)(de)分(fen)支绒毛。利(li)用原子(zi)力(li)(li)显微(wei)镜,他们(men)(men)测(ce)量(liang)了(le)(le)(le)外骨骼在(zai)有毛或(huo)无毛表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)上移动时(shi)产(chan)生的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)。在(zai)相同(tong)载荷下(xia),毛状(zhuang)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)比光滑表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)小。随着载荷的(de)(de)增(zeng)加,无毛表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)力(li)(li)增(zeng)加,而有毛表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)摩(mo)擦(ca)(ca)力(li)(li)没有明显的(de)(de)增(zeng)加。研(yan)究(jiu)(jiu)人员计算出,在(zai)腹(fu)(fu)部收缩过程(cheng)中(zhong),毛茸茸的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)减少了(le)(le)(le)约60%的(de)(de)磨损(sun),为每(mei)次(ci)腹(fu)(fu)部的(de)(de)收缩和弯曲(qu)运动节(jie)省了(le)(le)(le)能(neng)量(liang)。研(yan)究(jiu)(jiu)人员说,这些积累起来的(de)(de)能(neng)量(liang)对蜜(mi)(mi)蜂(feng)进行日常(chang)活动至关重要,这项研(yan)究(jiu)(jiu)可(ke)用于工程(cheng)机(ji)械的(de)(de)仿生表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)减阻设(she)计,延长(zhang)工程(cheng)装备的(de)(de)使用寿命。

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图1. 蜜蜂腹部具毛表面的减阻机理

论(lun)(lun)文中成(cheng)果是在(zai)两项国(guo)家(jia)自然科(ke)学(xue)(xue)基金(51805293和(he)(he)52075038)、一(yi)项北京市(shi)自然科(ke)学(xue)(xue)基金(3184050)和(he)(he)一(yi)项北京理(li)工大学(xue)(xue)青年教师(shi)学(xue)(xue)术(shu)(shu)启动计划(hua)项目的支(zhi)持下形(xing)成(cheng)的,北京理(li)工大学(xue)(xue)机(ji)(ji)械(xie)与车(che)辆学(xue)(xue)院教授王(wang)文中,研究(jiu)生梁鲁鲁、牛群、邢晋和(he)(he)吴祥(xiang)兵在(zai)论(lun)(lun)文撰写和(he)(he)实(shi)(shi)验研究(jiu)方面给予了(le)大力(li)帮(bang)助。北京理(li)工大学(xue)(xue)机(ji)(ji)械(xie)与车(che)辆学(xue)(xue)院、清华(hua)大学(xue)(xue)摩擦学(xue)(xue)重点实(shi)(shi)验室和(he)(he)生命学(xue)(xue)院为本(ben)研究(jiu)提供(gong)了(le)设备和(he)(he)技术(shu)(shu)支(zhi)持。

《ACS应用(yong)材(cai)料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)是一本由美(mei)国化(hua)学(xue)协会(American Chemical Society)创办的(de)年(nian)轻期刊(kan),创刊(kan)于2009年(nian),专(zhuan)注于发表(biao)(biao)新材(cai)料及界面过(guo)程(cheng)相关研究,有(you)着很(hen)高的(de)国际声誉。发表(biao)(biao)在(zai)ACS AMI上的(de)文章往(wang)往(wang)代表(biao)(biao)了(le)材(cai)料科学(xue)和表(biao)(biao)界面工程(cheng)领(ling)域前沿和国际领(ling)先(xian)的(de)研究报告 、学(xue)术评(ping)论、重大发现,以及学(xue)科回顾。


附(fu)团(tuan)队(dui)介绍:

赵杰亮,北(bei)京(jing)理(li)工大学机(ji)(ji)械与(yu)车辆学院(yuan)副教授、博士生导师,主要从事动(dong)物(wu)(wu)行为与(yu)机(ji)(ji)理(li)研(yan)究、智能(neng)生物(wu)(wu)机(ji)(ji)械和仿生机(ji)(ji)械等领域的研(yan)究。

阎绍泽,清(qing)华(hua)大学(xue)机(ji)械工程系教(jiao)授(shou)、博士生(sheng)导师,教(jiao)育部高等学(xue)校机(ji)械基础课程教(jiao)学(xue)指导分(fen)委员会主(zhu)任委员,长期从事机(ji)械系统动力(li)学(xue)、航(hang)天(tian)动力(li)学(xue)与(yu)可靠性、昆虫仿生(sheng)等领(ling)域(yu)研究。

文章信(xin)息(xi)(*为通(tong)讯作者(zhe)):

Mingyue Wang, Weihua Chen, Jieliang Zhao*, Li Yu, Shaoze Yan*. Hairy-Layer Friction Reduction Mechanism in the Honeybee Abdomen.  ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 21, 24524–24531

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