在？“天上飛”不如“輕功水上漂”？_風聞

原創：中科院物理所

　　“舉手 晃動 一起來 Naughty Bounce”

　　“每天都在天上飛”

　　圖片來源：pixabay

　　不知道你們最近有沒有被“洗腦”

　　但想上天的要求比較高

　　學海無涯苦作舟賦予了我眼前的凹透鏡

　　做飛行員是不行了

　　長翅膀又比較難不可能

　　正在苦惱的時候

　　我看到了這幅圖——

　　圖片來源

　　誒，蝸牛還可以在水裏這樣爬？

　　那，起飛太難，要不研究研究水上漂（爬）？

　　説不定我就可以了！

　　靠浪前行的蝸大師

　　這幅圖中，水生蝸牛完成了一個看起來幾乎不可能的運動——**它拖着自己穿過一個實際上抓不住的流體表面。**水生蝸牛是怎麼將水面轉變為可以有效提供“立足點”的表面呢？

　　回想一下陸生蝸牛是怎麼運動的呢？蝸牛：我走路不靠腳，靠浪。

　　蝸牛足部的強健肌體像波浪般地移動着，能使蝸牛緩慢地向前移動。

　　圖片來源：pixabay

　　蝸牛能夠像波浪一般移動的秘訣就在於粘液：粘液具有粘性，如果壓力超過一定水平，就會像液體一樣流動。

　　當蝸牛的“腳”壓在粘液的痕跡上面時，粘液為腳的某些部位提供了粘性抓地力，同時潤滑其他部位的運動。

　　陸生蝸牛運動機制的核心是堅固的表面，如果沒有堅固的表面，蝸牛則難以附着在上面。那麼，水生蝸牛是如何在水面上“為所欲為”的呢？

　　首先，水生蝸牛的殼可以捕獲一部分空氣，使得它可以大致浮在水面處。

　　可以理解為蝸牛的殼成為了蝸牛在水中的浮板或者游泳圈。

　　那水生蝸牛還分泌粘液嗎？同陸生蝸牛一樣，水生蝸牛也會分泌粘液。

　　蝸牛的“腳”和水面之間存在一個黏液層。在運動過程中，蝸牛的“腳”會主動皺成毫米級的波紋狀，這會導致在“腳”和空氣之間分泌的粘液層中產生相應的波紋。

　　最後，蝸牛是怎麼動起來的呢？

　　在地面上蠕動前進的陸生蝸牛

　　粘液層受到“腳”的影響發生形變，同樣也受到表面張力的限制，粘液層的表面形變並不能與蝸牛“腳”的波紋狀完全相同——部分粘液層被擠壓，部分被拉伸，產生一個壓力差，推動腳向前。

　　看來像蝸牛一樣水上漂（爬）也很難啊，別的女孩子的wave鸞回鳳翥，我的wave像違規鑽欄杆。 

　　水上漂就沒有別的辦法了麼？我不信！公園湖裏那麼多水黽，它們又是怎麼“水上漂”的？

　　划水王者水黽

　　比起蝸牛，水黽的運動方式似乎和我們更相近了吧？如果我瘦成一道閃電，能不能也在水上漂？

　　圖片來源：piaxbay

　　蝸牛靠自帶的“游泳圈”貼近水面，水黽是怎麼“站”在水面上而不會沉下去的呢？

　　構成液體的水分子之間存在相互作用力，需要消耗較大的能量才能形成新的氣水界面，純水的表面能約為0.07 J/m2。

　　液體內部的分子所受到的各個方向的作用力相對平衡，但對液體表面的分子而言，缺少了來自上方液體的作用力，就會在內部液體的“牽拉”下，“繃緊”表面，形成張力，即表面張力。

　　圖片來源：piaxbay

　　水黽能夠克服重力“站”在水面上，與表面張力是密不可分的。首先，水黽腿部末端細長，在水面上可以獲得較大的毛細管力（capillary tension）。

　　水黽腿上有疏水的油質細毛，可以為水上滑行提供保障。

　　當疏水物體被壓入空氣和水的界面時，水會盡量減少它與物體的接觸，這種情況下，通常會形成新的表面。

　　水黽腳部處的水面形成了凹坑 | 圖片來源[2]

　　因此，當水黽將它的疏水細毛壓在水面上時，水面上就會形成一個凹坑，空氣-水界面面積變大。

　　由此產生的毛細管力的垂直分量與重力相抵消，使得水黽被支撐起來。

　　水黽在水面的受力示意圖 | 圖片來源[2]

　　但在我們的常識中，似乎只有比較小的動物才能夠在水面上被支撐起來，這是由於受到了什麼限制呢？

　　撐起水黽的毛細管力——與接觸液體的腿的周長成正比，因此大致上與生物的線性尺寸成比例。而動物的體重與其體積成正比，近似與其線性尺寸的立方成正比。

　　簡單來説，毛細管力隨着動物線性尺寸成正比增加，而體重隨着動物線性尺寸成立方關係增加。

　　換句話説，隨着體型的增加，動物沉進水裏的傾向比被支撐起來的傾向增加要快得多。

　　因此，站在水面上是小型動物的獨家絕學。那麼，水黽這一類動物在水面上運動的驅動力從何而來呢？

　　水黽細長的腿在滑動時，會在水面上形成表面波和較淺的“凹坑”——半球形的偶極渦旋。這些渦旋會與水黽呈相反方向運動，速度大約為4 cm/s。

　　漩渦與水黽的運動方向相反 | 圖片來源[2]

　　將渦旋近似為半球形，得到水黽兩條腿造成渦旋的動量大約為10-5 kg·m/s，對於水黽，其重量為10-5 kg，以1 m/s的速度運動，動量同樣為10-5 kg·m/s。

　　實際上，水黽這種“划船運動”是相當高效的。當質量為Mi的昆蟲以U的速度前進時，其身體的動能是動物運動的有效能量（‘useful’ energy）。當水黽在水面上身體加速的過程中，水黽也會耗費的一定的能量（‘wasted’ energy）。

　　由上可知，水黽的運動效率為：

　　代入數值後得到的運動效率可以達到96%！

　　這説明水黽利用渦旋推動大量的水低速度後退，輕鬆的創造了大量的動量。

　　原來水黽才是真正的“划水”高手啊，憑藉高達96%的“划水效率”把我遠遠甩在了身後，沒想到最終，我連“划水”都輸了。

　　研究這麼半天…我好像確實沒有機會“水上漂”了。畢竟我沒有粘液，沒有殼，尺寸也遠遠超過了站在水面的極限…

　　雖然這些運動機制我們用不上，但是可以發展出多種多樣的仿生學應用。

　　比如根據蝸牛腹足腺粘液開發的蛋白複合膠；仿生水黽機器人，可以有效的幫我們進行自然科學研究和軍事偵察；受到水黽腿部疏水結構的啓發，可以製備人工設計的超疏水錶面，等等。

　　所以…我還是繼續“舉手 晃動 一起來 Naughty Bounce，每天都在天上飛”吧…

　　參考資料

　　[1]https://www.nature.com/articles/news.2008.915#article-info

　　[2]Denny,  M. W . Paradox lost: answers and questions about walking on water.[J]. Journal of Experimental Biology, 2004, 207(10):1601-1606.

　　[3]姚希. 水黽腿特殊浸潤現象的研究及材料仿生[D]. 中國科學院大學,2010.

　　[4]張新彬. 基於表面張力的仿水黽機器人研究[D]. 黑龍江:哈爾濱工業大學,2016.

　　[5]鍾天翼. 蝸牛腹足腺粘液的自組裝及絲素/蝸牛粘液蛋白複合膠的研究[D]. 江蘇:蘇州大學,2018.