从轰炸机到水面直升机:蚊子还能启迪更多发明

吴昊

2010年08月11日09:06  来源:《科学时报》

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  二战中“蚊式”轰炸机立下了传奇战功,至今仍被人津津乐道。仿生学模板双翅目昆虫蚊子,以灵活多变的空中飞方式,一直备受科学家关注。大连理工大学教授吴承伟团队最近发现,蚊子不仅是杰出的“空中战斗机”,还是全能的“水面直升机”。

  蚊子腿能产生较其自身二十几倍大的浮力,而号称“浮水王”的水黾,单腿产生静态浮力也仅有自身体重的15倍。如果以6条蚊腿进粗略计算,蚊子在水面上产生的最大静态浮力是其体重的百倍之多。吴承伟在接受《科学时报》记者采访时表示,研究人员利用与蚊子腿相同直径的柔软细钢丝制成“钢丝腿”,虽长度、形状及结构毫无二致,但其水面最大承载力只有蚊子腿的1/7。这一研究成果日前发表在《科学通报》上。

  整个实验过程看上去颇为简单,但在这个微小的动物身上实施起来却并不十分容易。研究人员将单根蚊子腿与细钢针巧妙地胶连后,固定到与实验机相连的钢丝上,控制蚊腿匀速压向静止水面。在蚊腿与水面接触时,利用电子显微镜观察蚊腿微观结构,对其成分进行分析, 并用仪器测量蚊腿表面接触角,同时记录其在水面上的最大承载重量。

  在实验过程中,研究人员还发现了一个有趣的现象:蚊子腿表面的部分生理特征与蝴蝶翅膀类似。

  面对炎炎夏日嗡嗡而来的蚊子,备受烦扰的人们实在无法将其与翩然起舞的蝴蝶相提并论。蝴蝶双翅绚丽多彩,翅表的鳞片具有一定疏水作用,能抵御部分雨水的侵袭。“蚊子腿表面与蝴蝶翅膀表面的主要成分极为相似,均由蛋白质、脂类和几丁质构成。它们虽具备一定疏水性能,但显然不足以令蚊子在水面上安全起飞、降落和自由行走。”吴承伟介绍说。

  于是另一个问题接踵而来,蚊腿强大的疏水性能到底源于何处?

  通过扫描电子显微镜,研究人员观察发现,蚊腿表面覆盖有十微米级、规则排列的鳞片,而鳞片表层又分布有微米级的纵向加筋结构,并且在这些纵向加筋结构中,又分布有纳米级的横向加筋结构。蚊子正是利用这种特殊的结构,将空气有效地吸附于鳞片和鳞片上的“纳米筋”内,最终在其表面形成一层稳定的气膜,抵御了水滴的浸润。

  这项关于蚊子腿表面微纳结构的研究,除了让人们对这位每逢天热如约而至的“朋友”有更多了解外,还具有重要的仿生学意义。

  “可能将来我们佩戴的领带也会和蚊子腿扯上关系。”吴承伟说。由于该结构的强疏水性,如果将蚊腿“纳米筋”结构应用到纳米布料中,水将不再会沾湿布料。相反,水珠在布料上滚落还能将灰尘轻而易举地带走,达到表面自清洁目的。

  俄罗斯研究人员正在进行潜艇表面涂层的纳米材料开发,或许,未来潜艇的表层会借鉴蚊腿表面的超疏水性“纳米筋”结构。当由这种结构构成的表面接触到水,水分子会集合成无数的环形结构,像球状轴承那样滚动,将摩擦力减到最小。

  蚊腿表面的超微结构也许还会让我们看到新概念小型飞机的出现。基于其稳定的降落结构,及其在水上由疏水作用产生的巨大浮力,我们有理由相信,未来将仿生开发出小型水上直升机,那将大大丰富直升机在侦察、科研等方面的应用。

  蚊子腿不再微不足道,对它们的研究将为许多领域的应用提供基础。“或许未来我们还能看到水陆空三栖的侦探机器蚊子。”吴承伟介绍。

(责任编辑:刘然)
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