動物體表的剛柔相關

0水和跳蛛的生長毛管的結構不同于毛管群的結構，其功能是多樣化的。在環節動物(如蚯蚓)中始現的剛毛使它們的運動更敏捷,更迅速。節肢動物體表的剛毛不僅是運動器官,還參與感覺器官的構成。生長在直翅目昆蟲尾須上和鱗翅目的幼蟲身體上的感觸毛(tactilehair)能感受振動和聲音。形態各異的剛毛構成不同的運動模式。水黽和捕魚蛛腿部蓬松的剛毛使其能在水面行走;跳蛛和壁虎腳底剛毛的粘附作用使其能在墻壁和天花板來去自由。蜣螂生活在糞土中,其腹部的剛毛具有脫附的功能。剛毛已經成為當今仿生研究領域中的一個熱點。1尾須誘發的地震響應節肢動物的感受器已進化成獨立的系統,具有復雜的構造和生理機能。絕大多數昆蟲的聽感覺神經元為雙極神經元。雙極神經元與周圍的衛星細胞共同組成一個感覺單位。感受器外有剛毛。生長在直翅目昆蟲尾須上和鱗翅目幼蟲身體上的剛毛被稱為聽覺毛。這既是聽覺器,感受低頻率的音波及氣流所給予的壓力;又是感觸器,感受機械刺激。這類聽覺感受器與感受觸覺器沒有明顯的界限,聽覺可以認為是極輕微而連續的觸覺。蟑螂逃離危險的本領十分高超。伊利諾大學芝加哥分校Comer等人研究蟑螂(Periplanetaamericana)的逃脫行為:往蟑螂身上吹風,它在50毫秒內就會開始逃。蟑螂的逃脫機制開始于尾須。由腹部往后延伸出來的兩根附肢是蟑螂的尾須。尾須上的細毛連接著一套感覺系統。在顯微鏡下,發現蟑螂的每根尾須約有200多根小毛。這些小毛有兩種類型,一種短而尖,另一種細而長。毛根長在一個圓盤狀的小丘中央。正是這種小毛的根部構成了一個高度靈敏的微型“感震器”,不但能測知地面和空氣的微弱顫動,而且能感覺出顫動來自何方。地面和空氣發生微弱的震顫,會使須毛變形,根部的傳感神經向中間神經元發出信號,傳遞到腿部的運動神經元,收縮肌肉,準備逃跑。我們觀測了微風吹蟑螂(Periplanetaamericana)尾須誘發的傳入放電活動(圖1)。美國地震地質局Major和Simon等人發現,蟑螂有預報地震的特異功能。實驗中把蟑螂關在黑暗的籠子里,籠底裝有記錄蟑螂行動的傳感器,記錄表明,這些蟑螂在一個月里有5次活動過度的現象,而且每次都出現在小地震發生的4小時前。Simon認為,蟑螂對地震前大地微弱的振動變化非常敏感。尾須上密密麻麻的小毛是高靈敏度的振動傳感器。科學家根據蟑螂的尾須功能改進了地震感震儀。美國約翰·霍普金斯大學Lamperski和Loh等人研制出帶有觸須的機器人,在沒有照明的房間內,也行走自由,因為它們有類似蟑螂的觸須,能避開障礙物。通常機器人都裝備光學傳感器或聲吶,通過感受光線和聲音來躲避障礙物。這種反饋信息的傳入受到光線和噪聲的影響。Loh的觸須技術則避開了這些缺點。Loh在有機材料聚氨酯制成的帶子中安置6個能感受長度變化的傳感器,將帶子放在塑料軟管中,制成了仿生觸須。觸須碰到障礙物就會變彎,改變帶子長度,導致傳感器電阻發生變化。機器人所裝備的計算機可據此判斷障礙物的位置。2水在水面上的生長有些節肢動物,例如水黽和一些蜘蛛,能在水面自由“行走”。水黽是一種在湖水、池塘、水田中常見的小型水生昆蟲,身體的長度約1~2cm不等。為什么水黽能呆在水面上而不下沉?水黽之所以能呆在水面上并不是像以前學者認為的,是依靠所分泌的油脂產生的表面張力效應,而是利用多毛長足產生波紋的表面張力托起自己。水黽長有三對足,足的附節上生有一排排不沾水的剛毛。盡管與足接觸的那部分水面會下凹,但它的剛毛群不會沖破水的表面張力。中科院江雷等人發現,水黽腿部數千根微米級剛毛按同一取向排列,構成螺旋狀的溝槽。空氣被有效地吸附在溝槽中形成氣墊,阻礙了水滴的浸潤,導致水黽腿的強疏水性。水黽腿部剛毛的疏水性強于鴨毛的疏水性。普通的疏水性只能讓昆蟲在水面上呆一會兒,水面輕微的波動就會使其沉沒。而水黽腿部剛毛超強疏水性和在水面間形成的空氣墊讓它們在波動的水面上穩定地滑行。江雷等人認為,通過對水黽剛毛疏水性的研究,不僅可探索剛毛對表面張力、流體阻力影響的規律,推動“表面和交界面力學和生物學的研究”,還為仿生學提供一個新的研究空間,這將有助于設計出新型微型水上交通工具。此外,該發現可用于新型防水紡織品的生產等。水黽一次能夠在水面劃出4mm長的波紋,以每秒60英寸以上的速度向前行走。為什么水黽能在水上快速行走?美國麻省理工學院的Bush和Hu使用尖端跟蹤裝置和高速攝影技術,捕捉到不同種類水黽在水面上行走的過程,揭示了其在水面行走的機制。Bush等人的研究表明,水黽利用多毛長足在水中制造出螺旋狀旋渦而產生推動力。對其腿的力學測量表明:僅僅一條腿在水面的最大支持力就達到了其身體總重量的15倍。正是這種超強的負載能力使得水黽能夠在水面上自由地穿梭滑行。Hu及其導師對水黽腿劃行力的測量是根據動量守恒定律而間接推導出來的,結果存在較大的誤差。我們利用自己研制的毫牛級3維力傳感器(專利號:200610041133.9),直接觀測了水黽足在水面的動力過程(圖2)。有一種在歐洲和英國分別被稱為捕魚蛛(fishingspider)和船筏蛛(raftspider)的蜘蛛,八條長腿上長有強疏水性的剛毛,能像水黽一樣生活在水面上。這些腿上的剛毛還可以感受昆蟲、蝌蚪和小魚在水中的振動,指揮其獵食。美國卡內基-梅隆大學機械工程系的科學家根據水蜘蛛和水黽在水面行走的原理,用碳化纖維材料制造出在水面行走的機器昆蟲。它的腿部被涂上防水塑料(圖3)。這種機器人的外觀形狀與昆蟲非常相似,有很好的應用前景。例如,它可攜帶化學傳感器檢測水質污染的程度。研究者表示,有望在近期研制出更強的在水面行走的微型機器人。3從表面活性劑和內裝材料的研究蜘蛛有近4萬種,能在水環境生活的只是少數,大多數生活在陸地。許多蜘蛛能在墻上和天花板上行走。這主要依賴其腳底剛毛的粘附功能。德國科學家發現,蜘蛛腳上的剛毛有極強的粘附功能。德國不來梅動物學與仿生學技術研究所的Kesel和同事使用掃描電子顯微鏡觀察一種跳蛛(Evarchaarcuata)的腳部,發現它們的腳上覆蓋著一層剛毛,腳底則覆蓋著細密的剛毛群。這些剛毛的尖端呈三角膨大,以擴大其與墻壁的接觸面積。Kesel等人測量了蜘蛛腳與接觸面之間的力。經過推算表明,當蜘蛛處于倒懸狀態且腳上共約6萬根剛毛均與接觸面密切接觸時,它們能夠粘住相當于它們體重173倍的重量。實際上,無論蜘蛛是處于倒懸狀態還是在地面上,只是部分腳底剛毛與接觸面相接觸(圖4)。Kesel等人研究了跳蛛吸附在粗糙表面和光滑表面時所采取的不同粘附策略,排除了跳蛛的吸附力與分泌粘液間的依賴關系。跳蛛在粗糙表面上利用自身的腳爪吸附,而在光滑表面上則利用跗節上的毛叢及其上密集排列的細剛毛吸附。科學家認為,蜘蛛“抓”住物體表面可能主要是通過范德華力,即分子之間距離很近時的靜電引力,但同時摩擦力和其它力也可能起作用。由于范德華力僅僅存在于兩個物體之間,不受環境影響,科學家希望借助這一發現能夠激發出開發新材料的創意,如制造在外層空間中可粘附在物體表面的太空服等。壁虎腳底剛毛群的結構與蜘蛛腳的相類似。由于壁虎相對體積大,負重能力強,其腳掌的粘附機制得到更充分的研究和應用。許多發達國家如美國、英國等都大量投入進行三維空間無障礙運動能力的爬壁機器人研究,新加坡、韓國、巴西等發展中國家和我國也制定了相關的高技術發展計劃,但目前三維空間無障礙運動機器人的研制仍存在許多困難,希望能從壁虎的運動獲得啟示。傳統上認為,壁虎腳的粘附功能主要有吸盤、機械鎖合、摩擦、靜電吸引等。實際上,壁虎爬壁絕技的奧秘在于其腳掌上排列密集的數以百萬計的剛毛(圖5)。壁虎腳底剛毛的上端發出很多分叉的末梢。其中南京的多疣壁虎(Geckojaporicus)的末梢彎曲形成短而密的卷須,廣西的大壁虎(Gekkogecko)的末梢彎曲形成“勺”狀膨大。這些多級的分叉和末梢的卷須或膨大有效地擴大了剛毛與表面的接觸面。2000年,Autumn和Desiraju等人利用MEMS(微機電系統)技術測試了壁虎單根離體剛毛的粘附力,發現當剛毛的末梢與物體表面貼得非常近時,可以產生微弱的分子間作用力,提出范德華力(vanderWaals)假說。2005年,Huber等人通過對壁虎剛毛尖端單根分支的納米力學測試,認為毛細作用對壁虎腳掌粘附力的產生具有重要意義。2006年,Autumn及其同事建立了摩擦學模型,研究壁虎在爬行過程中控制力的策略,并從摩擦學角度解釋了壁虎爬行中的快速粘-脫附轉換過程。我們在研究壁虎腳底剛毛的粘附性能時,發現粘附力大小與其形態構筑的完整性正相關,這給Autumn的范德華力和Huber的毛細作用假說以佐證;但也對他們的假說提出疑義,為什么在形態構筑相同的情況下,清醒狀態下壁虎腳底剛毛的粘附力明顯大于麻醉狀態或死亡后的粘附力?其粘附機制是否還存在生物學因素?從人造剛毛的使用情況來看,為什么人造仿壁虎剛毛的密度和粘附力遠低于壁虎的,卻屢屢出現剛毛間“粘連”的現象(圖5右下)?為什么排列更密集、分支更精細的壁虎腳底毛卻沒有此現象?這是否與動物腳底剛毛表面生物材料和生物學特性相關?Alibardi觀測到剛毛表面存在大量的γ-角蛋白和β-角蛋白。我們課題組通過細胞組織學技術觀測了壁虎腳底毛的結構:剛毛的橫向切片顯示其毛腔內容物充實而不均一(圖6左);縱向切片顯示剛毛呈細胞樣結構(圖6右)。繼而采用鬼筆環肽細胞免疫技術初步觀測到剛毛內有可收縮性的蛋白質結構。由此產生新的問題:壁虎毛形態的改變是否可導致剛毛表面膜電位的變化?毛內部可收縮性蛋白是否可調節剛毛本身的彈性和韌度,從而賦予剛毛以主動應答不同界面刺激的能力?對這些問題的研究,不僅將揭示壁虎腳底剛毛粘附機制中可能存在的生物學效應,提出新的粘附理論,同時也為仿生剛毛群和爬壁機器人腳掌的制備提供新的設計理念。4磷嘴唇的形態結構土壤和物料的粘附嚴重降低了機械的作業效率和質量。目前世界流行的脫附技術,包括向界面注入空氣的充氣法、向界面注入溶液的充液法、利用機械或超聲波的振動法、施加電場的電滲法、施加磁場的磁化法和在觸土部件表面上涂料的涂層法等,但這些方法或技術都不盡人意。生活在粘濕土壤環境中的蜣螂具有優良的抗粘附功能的體表。在蜣螂(Coprisochus,Motschulsky)脫附理論和仿生學應用的研究中,吉林大學任露泉等人就蜣螂背部體表非光滑結構提出脫附的“非光滑表面”假說。這個假說得到國內外同行們的贊同和引用。隨后,我們又發現了蜣螂腹部體表剛毛在脫附中的作用。在實體顯微鏡下,破壞蜣螂腿部的兩側、胸~腹部表面和上唇基的剛毛,使其缺損,導致蜣螂的脫附能力顯著下降。剛毛的功能可以粘附,也可以脫附,關鍵在于剛毛的形態結構。我們在掃描電鏡下發現,蜣螂的剛毛與壁虎腳底毛的形態結構形成鮮明的對照:蜣螂的剛毛主要分布在體表的腹面和腿的兩側,排列整齊但疏散,長度不一(600~1200μm),毛根間距約100μm,周身生有短刺,尖端沒有膨大,方向與接觸土壤的表面呈垂直角度,構成具有脫附功效的柔性界面(圖7)。細胞組織學切片顯示,剛毛腔內中空,短刺的內側有微孔與毛腔相通,在剛毛的基部有內徑為5~7μm的小孔與體內的油脂腺相通。在動物體表與土壤界面的相對運動過程中,土壤對體表的摩擦阻力F可用庫侖方程:F=CA+P×tgΦ表示,其中C為土壤粘附力,A為接觸面積,P為垂直界面正壓力,Φ為土壤對動物體表的外摩擦角。對于一定的土壤條件,粘附程度主要取決于接觸面積A,所以,減少接觸面積是抗粘附的關鍵。剛毛構成的柔性表面無疑使體表與土壤界面間存在一定間隙,有效地減少接觸面積。這個間隙內可形成一個有氣、無土和無水區,即使對于含水量較多的粘性