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蚊子是怎样在水上漂浮的

时间: 2015年05月20日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
科学家们研究了蚊子在水面漂浮的能力用以设计未来的水上机器人

图A到图C:蚊子跗节终端逐步按压水面的连续画面。 D-F: 整个后腿逐步按压水面的连续画面。图片来源:刘建林/中国石油大学

 
小型半水生节肢动物,如蚊子和水黾,因其独特的腿部结构,有着很好的水面活动能力, 它们的腿可以有效地踩水从而使其能够在水面上自由漂浮。
 
通过研究蚊腿的不同部位在做运动时对水面产生的作用力,中国石油大学(华东)和辽宁科技大学的研究者们揭开了蚊子能够在水面上运动的机械原理,这一发现可被用于设计仿生结构,如水上机器人和小型船。
 
“这项研究加深了我们对于水生昆虫水面运动机理的理解,”中国石油大学工程力学系教授刘建林说。他们将这项研究发表在美国物理联合会出版的《AIP Advances》期刊上。
 
蚊子在静止的水面上产卵,卵在水面下孵化成蛹,最终变为成虫飞离水面。
 
蚊子的大腿由三节组成:坚硬的股节从昆虫的腹部伸出,通过关节连接后面同样坚硬的胫节,胫节又分支出一条长而柔韧的跗节。以前人们对于昆虫水面活动能力的测量主要集中在整条大腿上,很大程度上忽略了跗节的作用。
 
在实验中,研究者们将钢针附着在蚊子的大腿上,钢针连接着压头和微感应器,这样便可以测量蚊子的跗节在水面上的支撑力。这套装置可能让研究者们现场调整蚊腿和水面之间的角度和作用力,同时通过光学显微镜和数码相机测量相关数据。
 
刘教授和他的同事们发现昆虫能够浮动在水面上的能力--也即通过它的六个腿产生的相当于自身体重20倍的向上的支撑力--完全归功于昆虫跗节与水面平行接触时的支撑力。
 
“这一发现推翻了以往认为蚊腿越长,越能有效地产生支撑力的经典观点,”刘教授说。
 
通过减少蚊腿与水面接触的面积,水面对昆虫所产生的粘附力也会显著减小,从而有助于蚊子飞离水面。
 
蚊子的跗节能够产生如此大的支撑力,其单位长度的结构能力如何,这是研究组正在着手研究的课题。下一步刘教授和他的同事们要对蚊腿的微结构,湿附着力和动态行为展开研究。(美国物理联合会  张铮铮)
 
论文“Load-bearing ability of the mosquito tarsus on water surfaces arising from its flexibility”的作者是Xiang-qing Kong, Jianlin Liu, Wen-jiao Zhang and Qu Yandong。(DOI: 10.1063/1.4908027)
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/adva/5/3/10.1063/1.4908027
 
关于期刊
《AIP Advances》是经过同行评审,可公开获取的在线刊物。它涵盖了应用物理学的所有领域。拥有先进的Web 2.0网络功能性,该期刊为物理社区提供了发表内容和展开讨论的工具, 为物理学指引方向。
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