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近日，中山大學(xué)航空航天學(xué)院副教授吳嘉寧團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國(guó)基爾大學(xué)Prof. Stanislav Gorb、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所副教授李會(huì)增研究揭示了蜜蜂飲蜜口器的材料與表面特性，以及其對(duì)結(jié)構(gòu)整體柔度的影響。相關(guān)研究發(fā)表于《應(yīng)用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)。

蜜蜂，昆蟲綱膜翅目蜜蜂科動(dòng)物。作為典型的食蜜昆蟲，蜜蜂是自然界中最重要的傳粉者之一，每年能帶給人類巨大的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。相比其他的食蜜昆蟲，蜜蜂具有顯著的高粘度花蜜攝取能力以及優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力。

“蜜蜂采集花蜜的主要器官是位于蜜蜂口器中央的中唇舌。這個(gè)結(jié)構(gòu)具有多環(huán)節(jié)的特征，且每一環(huán)節(jié)上都密布了用來蘸取粘性液體的剛毛。”吳嘉寧表示，研究發(fā)現(xiàn)，中唇舌表面的剛毛是高度疏水的(接觸角近150°)。

疏水的器官表面是如何蘸取花蜜的呢?通過冷凍電子顯微鏡觀測(cè)，研究人員發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下的蜜蜂中唇舌表面有一層液體薄膜(應(yīng)是口器內(nèi)部的唾液腺分泌的唾液)。液膜的存在便能使得中唇舌保持穩(wěn)定的可潤(rùn)濕狀態(tài)，從而成功地接觸并捕獲外界的液體食物，所以蜜蜂蘸取花蜜的過程不會(huì)收到影響。

在自然環(huán)境下，蜜蜂可以通過獲取花蜜、汁液、果汁或鹽水等補(bǔ)充自身的養(yǎng)分，這意味著它的舌頭必須能夠與各種各樣的外界環(huán)境相互作用，比如狹窄的花朵開口、粗糙的樹皮、形狀不規(guī)則的腐爛果實(shí)和潮濕的土壤。然而，由于植物分泌的具有養(yǎng)分的液體食物在自然競(jìng)爭(zhēng)中總是處于少量的(比如液體裝或液膜狀)，蜜蜂細(xì)長(zhǎng)的中唇舌結(jié)構(gòu)不可能全部蘸取到液體食物，而總會(huì)有一部分暴露在空氣中。這一部分的剛毛由于暴露在空氣環(huán)境中容易收到表面張力的作用被黏附在舌頭表面。

研究人員通過原子力顯微鏡的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，蜜蜂中唇舌的剛毛剛度(彈性模量~1GPa)遠(yuǎn)大于環(huán)節(jié)的剛度(彈性模量~5MPa)。雖然堅(jiān)硬的剛毛將有助于在液體環(huán)境中的展開蘸取，以及防止在運(yùn)動(dòng)過程中和外界產(chǎn)生的摩擦損耗，但是在空氣環(huán)境中黏附在舌頭表面的剛毛就像一幅盔甲一樣限制了內(nèi)部若軟的環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，將極大的限制了結(jié)構(gòu)整體的靈活性。

研究人員通過原子力顯微鏡證實(shí)，蜜蜂剛毛的疏水性將能較大程度地降低舌頭表面的液膜對(duì)剛毛的粘附力，所以在結(jié)構(gòu)的整體彎曲過程中，剛毛能夠有效地從舌頭表面脫附并展開，讓柔軟的環(huán)節(jié)承擔(dān)中唇舌的變形，大大提高了結(jié)構(gòu)整體的柔順性。作者最后還通過有限元計(jì)算，對(duì)這一過程進(jìn)行建模演示。

吳嘉寧對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，該研究以蜜蜂中唇舌為例，向人們展示了機(jī)構(gòu)表面微結(jié)構(gòu)的親疏水特性對(duì)結(jié)構(gòu)整體的靈活性的影響，并且可以啟發(fā)復(fù)雜的新材料的設(shè)計(jì)，例如粘性微流體的柔性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。(作者：朱漢斌)