北京理工大學科研團隊揭示蜜蜂腹部具毛表面的減阻機制
發布日期：2021-07-13 供稿：機械與車輛學院 攝影：機械與車輛學院
編輯：羅曉艷 審核：馮慧華、王偉達 閱讀次數：
日前，北京理工大學機械與車輛學院趙杰亮副教授團隊與清華大學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）形式在國際權威期刊《ACS應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）在線發表。北京理工大學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閻紹澤教授聯合指導的碩士研究生；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性昆蟲，雖然沒有人類發達的語言溝通能力，但是憑借其精巧的身體結構，可完成豐富多樣的肢體動作，同樣具備了較為完備的語言溝通技能，其中腹部的往復彎曲和伸縮發揮了不可替代的作用。該論文首次闡述了蜜蜂微小的毛發可以減少腹部分節結構間相對運動產生的摩擦，為蜜蜂辛勤勞作的日?；顒庸澥∧芰?，同時減少腹部結構的磨損。
蜜蜂腹部由幾組堅硬的背板和腹板分節嵌套構成，在蜜蜂整個生命周期中，其腹節間的相對運動次數可達數千萬次。當腹部彎曲和伸展時，相鄰背板(腹板)間相互滑動，必然會產生摩擦。然而，研究團隊實際觀測發現相互嵌套的腹節結構卻幾乎沒有磨損，這一發現讓他們感到困惑。為此，研究團隊開展了蜜蜂腹部的減阻機理研究，他們在掃描電子顯微鏡下觀察了蜜蜂的腹部結構及表面形貌，發現在腹節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時產生的摩擦。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動節省了能量。研究人員說，這些積累起來的能量對蜜蜂進行日常活動至關重要，這項研究可用于工程機械的仿生表面減阻設計，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理
論文中成果是在兩項國家自然科學基金（51805293和52075038）、一項北京市自然科學基金（3184050）和一項北京理工大學青年教師學術啟動計劃項目的支持下形成的，北京理工大學機械與車輛學院教授王文中，研究生梁魯魯、牛群、邢晉和吳祥兵在論文撰寫和實驗研究方面給予了大力幫助。北京理工大學機械與車輛學院、清華大學摩擦學重點實驗室和生命學院為本研究提供了設備和技術支持。
《ACS應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）是一本由美國化學協會（American Chemical Society）創辦的年輕期刊，創刊于2009年，專注于發表新材料及界面過程相關研究，有著很高的國際聲譽。發表在ACS AMI上的文章往往代表了材料科學和表界面工程領域前沿和國際領先的研究報告 、學術評論、重大發現，以及學科回顧。
附團隊介紹：
趙杰亮，北京理工大學機械與車輛學院副教授、博士生導師，主要從事動物行為與機理研究、智能生物機械和仿生機械等領域的研究。
閻紹澤，清華大學機械工程系教授、博士生導師，教育部高等學校機械基礎課程教學指導分委員會主任委員，長期從事機械系統動力學、航天動力學與可靠性、昆蟲仿生等領域研究。
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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