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,北京理工大学机械与车辆学院赵杰亮副教授团队与清华大学阎绍泽教授合作研究成果“Hairy-Layer Friction Reduction Mechanism in the Honeybee Abdomen”(作者:王明岳,陈炜铧,赵杰亮,余丽,阎绍泽),以直接投稿(Direct Submission)、研究性论文(Research Article)形式在国际权威期刊《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)在线发表。北京理工大学为论文第一通讯单位,第一作者王明岳是我校赵杰亮副教授与清华大学阎绍泽教授联合指导的硕士研究生;赵杰亮副教授和阎绍泽教授为该论文共同通讯作者。

我们常说“像蜜蜂一样工作,像蝴蝶一样生活”,每当看到蜜蜂在花丛中忙碌的身影就很容易理解这句话的由来了。蜜蜂作为一种集群生活的社会性昆虫,虽然没有人类发达的语言沟通能力,但是凭借其精巧的身体结构,可完成丰富多样的肢体动作,同样具备了较为完备的语言沟通技能,其中腹部的往复弯曲和伸缩发挥了不可替代的作用。该论文首次阐述了蜜蜂微小的毛发可以减少腹部分节结构间相对运动产生的摩擦,为蜜蜂辛勤劳作的日常活动节省能量,同时减少腹部结构的磨损。

蜜蜂腹部由几组坚硬的背板和腹板分节嵌套构成,在蜜蜂整个生命周期中,其腹节间的相对运动次数可达数千万次。当腹部弯曲和伸展时,相邻背板(腹板)间相互滑动,必然会产生摩擦。然而,研究团队实际观测发现相互嵌套的腹节结构却几乎没有磨损,这一发现让他们感到困惑。为此,研究团队开展了蜜蜂腹部的减阻机理研究,他们在扫描电子显微镜下观察了蜜蜂的腹部结构及表面形貌,发现在腹节外表面分布了大量的分支绒毛。利用原子力显微镜,他们测量了外骨骼在有毛或无毛表面上移动时产生的摩擦。在相同载荷下,毛状表面的摩擦比光滑表面的摩擦小。随着载荷的增加,无毛表面的摩擦力增加,而有毛表面的摩擦力没有明显的增加。研究人员计算出,在腹部收缩过程中,毛茸茸的表面减少了约60%的磨损,为每次腹部的收缩和弯曲运动节省了能量。研究人员说,这些积累起来的能量对蜜蜂进行日常活动至关重要,这项研究可用于工程机械的仿生表面减阻设计,延长工程装备的使用寿命。

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图1. 蜜蜂腹部具毛表面的减阻机理

论文中成果是在两项国家自然科学基金(51805293和52075038)、一项北京市自然科学基金(3184050)和一项北京理工大学青年教师学术启动计划项目的支持下形成的,北京理工大学机械与车辆学院教授王文中,研究生梁鲁鲁、牛群、邢晋和吴祥兵在论文撰写和实验研究方面给予了大力帮助。北京理工大学机械与车辆学院、清华大学摩擦学重点实验室和生命学院为本研究提供了设备和技术支持。

《ACS应用材料与界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)是一本由美国化学协会(American Chemical Society)创办的年轻期刊,创刊于2009年,专注于发表新材料及界面过程相关研究,有着很高的国际声誉。发表在ACS AMI上的文章往往代表了材料科学和表界面工程领域前沿和国际领先的研究报告 、学术评论、重大发现,以及学科回顾。


附团队介绍:

赵杰亮,北京理工大学机械与车辆学院副教授、博士生导师,主要从事动物行为与机理研究、智能生物机械和仿生机械等领域的研究。

阎绍泽,清华大学机械工程系教授、博士生导师,教育部高等学校机械基础课程教学指导分委员会主任委员,长期从事机械系统动力学、航天动力学与可靠性、昆虫仿生等领域研究。

文章信息(*为通讯作者):

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

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c05500


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