北京理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)揭示蜜蜂腹部具毛表面的減阻機(jī)制
發(fā)布日期：2021-07-13 供稿：機(jī)械與車輛學(xué)院 攝影：機(jī)械與車輛學(xué)院
編輯：羅曉艷 審核：馮慧華、王偉達(dá) 閱讀次數(shù)：
日前，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院趙杰亮副教授團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)閻紹澤教授合作研究成果“Hairy-Layer Friction Reduction Mechanism in the Honeybee Abdomen”（作者：王明岳，陳煒鏵，趙杰亮，余麗，閻紹澤），以直接投稿（Direct Submission）、研究性論文（Research Article）形式在國際權(quán)威期刊《ACS應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）在線發(fā)表。北京理工大學(xué)為論文第一通訊單位，第一作者王明岳是我校趙杰亮副教授與清華大學(xué)閻紹澤教授聯(lián)合指導(dǎo)的碩士研究生；趙杰亮副教授和閻紹澤教授為該論文共同通訊作者。
我們常說“像蜜蜂一樣工作，像蝴蝶一樣生活”，每當(dāng)看到蜜蜂在花叢中忙碌的身影就很容易理解這句話的由來了。蜜蜂作為一種集群生活的社會(huì)性昆蟲，雖然沒有人類發(fā)達(dá)的語言溝通能力，但是憑借其精巧的身體結(jié)構(gòu)，可完成豐富多樣的肢體動(dòng)作，同樣具備了較為完備的語言溝通技能，其中腹部的往復(fù)彎曲和伸縮發(fā)揮了不可替代的作用。該論文首次闡述了蜜蜂微小的毛發(fā)可以減少腹部分節(jié)結(jié)構(gòu)間相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦，為蜜蜂辛勤勞作的日常活動(dòng)節(jié)省能量，同時(shí)減少腹部結(jié)構(gòu)的磨損。
蜜蜂腹部由幾組堅(jiān)硬的背板和腹板分節(jié)嵌套構(gòu)成，在蜜蜂整個(gè)生命周期中，其腹節(jié)間的相對運(yùn)動(dòng)次數(shù)可達(dá)數(shù)千萬次。當(dāng)腹部彎曲和伸展時(shí)，相鄰背板(腹板)間相互滑動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生摩擦。然而，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)相互嵌套的腹節(jié)結(jié)構(gòu)卻幾乎沒有磨損，這一發(fā)現(xiàn)讓他們感到困惑。為此，研究團(tuán)隊(duì)開展了蜜蜂腹部的減阻機(jī)理研究，他們在掃描電子顯微鏡下觀察了蜜蜂的腹部結(jié)構(gòu)及表面形貌，發(fā)現(xiàn)在腹節(jié)外表面分布了大量的分支絨毛。利用原子力顯微鏡，他們測量了外骨骼在有毛或無毛表面上移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦。在相同載荷下，毛狀表面的摩擦比光滑表面的摩擦小。隨著載荷的增加，無毛表面的摩擦力增加，而有毛表面的摩擦力沒有明顯的增加。研究人員計(jì)算出，在腹部收縮過程中，毛茸茸的表面減少了約60%的磨損，為每次腹部的收縮和彎曲運(yùn)動(dòng)節(jié)省了能量。研究人員說，這些積累起來的能量對蜜蜂進(jìn)行日常活動(dòng)至關(guān)重要，這項(xiàng)研究可用于工程機(jī)械的仿生表面減阻設(shè)計(jì)，延長工程裝備的使用壽命。
圖1. 蜜蜂腹部具毛表面的減阻機(jī)理
論文中成果是在兩項(xiàng)國家自然科學(xué)基金（51805293和52075038）、一項(xiàng)北京市自然科學(xué)基金（3184050）和一項(xiàng)北京理工大學(xué)青年教師學(xué)術(shù)啟動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下形成的，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院教授王文中，研究生梁魯魯、牛群、邢晉和吳祥兵在論文撰寫和實(shí)驗(yàn)研究方面給予了大力幫助。北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院、清華大學(xué)摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和生命學(xué)院為本研究提供了設(shè)備和技術(shù)支持。
《ACS應(yīng)用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）是一本由美國化學(xué)協(xié)會(huì)（American Chemical Society）創(chuàng)辦的年輕期刊，創(chuàng)刊于2009年，專注于發(fā)表新材料及界面過程相關(guān)研究，有著很高的國際聲譽(yù)。發(fā)表在ACS AMI上的文章往往代表了材料科學(xué)和表界面工程領(lǐng)域前沿和國際領(lǐng)先的研究報(bào)告 、學(xué)術(shù)評論、重大發(fā)現(xiàn)，以及學(xué)科回顧。
附團(tuán)隊(duì)介紹：
趙杰亮，北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，主要從事動(dòng)物行為與機(jī)理研究、智能生物機(jī)械和仿生機(jī)械等領(lǐng)域的研究。
閻紹澤，清華大學(xué)機(jī)械工程系教授、博士生導(dǎo)師，教育部高等學(xué)校機(jī)械基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主任委員，長期從事機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、航天動(dòng)力學(xué)與可靠性、昆蟲仿生等領(lǐng)域研究。
文章信息（*為通訊作者）：
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
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05500
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