從轟炸機到水面直升機:蚊子還能啟迪更多發明

吳昊

2010年08月11日09:06  來源:《科學時報》

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  二戰中“蚊式”轟炸機立下了傳奇戰功,至今仍被人津津樂道。仿生學模板雙翅目昆虫蚊子,以靈活多變的空中飛方式,一直備受科學家關注。大連理工大學教授吳承偉團隊最近發現,蚊子不僅是杰出的“空中戰斗機”,還是全能的“水面直升機”。

  蚊子腿能產生較其自身二十幾倍大的浮力,而號稱“浮水王”的水黽,單腿產生靜態浮力也僅有自身體重的15倍。如果以6條蚊腿進粗略計算,蚊子在水面上產生的最大靜態浮力是其體重的百倍之多。吳承偉在接受《科學時報》記者採訪時表示,研究人員利用與蚊子腿相同直徑的柔軟細鋼絲制成“鋼絲腿”,雖長度、形狀及結構毫無二致,但其水面最大承載力隻有蚊子腿的1/7。這一研究成果日前發表在《科學通報》上。

  整個實驗過程看上去頗為簡單,但在這個微小的動物身上實施起來卻並不十分容易。研究人員將單根蚊子腿與細鋼針巧妙地膠連后,固定到與實驗機相連的鋼絲上,控制蚊腿勻速壓向靜止水面。在蚊腿與水面接觸時,利用電子顯微鏡觀察蚊腿微觀結構,對其成分進行分析, 並用儀器測量蚊腿表面接觸角,同時記錄其在水面上的最大承載重量。

  在實驗過程中,研究人員還發現了一個有趣的現象:蚊子腿表面的部分生理特征與蝴蝶翅膀類似。

  面對炎炎夏日嗡嗡而來的蚊子,備受煩擾的人們實在無法將其與翩然起舞的蝴蝶相提並論。蝴蝶雙翅絢麗多彩,翅表的鱗片具有一定疏水作用,能抵御部分雨水的侵襲。“蚊子腿表面與蝴蝶翅膀表面的主要成分極為相似,均由蛋白質、脂類和幾丁質構成。它們雖具備一定疏水性能,但顯然不足以令蚊子在水面上安全起飛、降落和自由行走。”吳承偉介紹說。

  於是另一個問題接踵而來,蚊腿強大的疏水性能到底源於何處?

  通過掃描電子顯微鏡,研究人員觀察發現,蚊腿表面覆蓋有十微米級、規則排列的鱗片,而鱗片表層又分布有微米級的縱向加筋結構,並且在這些縱向加筋結構中,又分布有納米級的橫向加筋結構。蚊子正是利用這種特殊的結構,將空氣有效地吸附於鱗片和鱗片上的“納米筋”內,最終在其表面形成一層穩定的氣膜,抵御了水滴的浸潤。

  這項關於蚊子腿表面微納結構的研究,除了讓人們對這位每逢天熱如約而至的“朋友”有更多了解外,還具有重要的仿生學意義。

  “可能將來我們佩戴的領帶也會和蚊子腿扯上關系。”吳承偉說。由於該結構的強疏水性,如果將蚊腿“納米筋”結構應用到納米布料中,水將不再會沾濕布料。相反,水珠在布料上滾落還能將灰塵輕而易舉地帶走,達到表面自清潔目的。

  俄羅斯研究人員正在進行潛艇表面涂層的納米材料開發,或許,未來潛艇的表層會借鑒蚊腿表面的超疏水性“納米筋”結構。當由這種結構構成的表面接觸到水,水分子會集合成無數的環形結構,像球狀軸承那樣滾動,將摩擦力減到最小。

  蚊腿表面的超微結構也許還會讓我們看到新概念小型飛機的出現。基於其穩定的降落結構,及其在水上由疏水作用產生的巨大浮力,我們有理由相信,未來將仿生開發出小型水上直升機,那將大大豐富直升機在偵察、科研等方面的應用。

  蚊子腿不再微不足道,對它們的研究將為許多領域的應用提供基礎。“或許未來我們還能看到水陸空三棲的偵探機器蚊子。”吳承偉介紹。

(責任編輯:劉然)
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