在？“天上飞”不如“轻功水上漂”？_风闻

原创：中科院物理所

　　“举手 晃动 一起来 Naughty Bounce”

　　“每天都在天上飞”

　　图片来源：pixabay

　　不知道你们最近有没有被“洗脑”

　　但想上天的要求比较高

　　学海无涯苦作舟赋予了我眼前的凹透镜

　　做飞行员是不行了

　　长翅膀又比较难不可能

　　正在苦恼的时候

　　我看到了这幅图——

　　图片来源

　　诶，蜗牛还可以在水里这样爬？

　　那，起飞太难，要不研究研究水上漂（爬）？

　　说不定我就可以了！

　　靠浪前行的蜗大师

　　这幅图中，水生蜗牛完成了一个看起来几乎不可能的运动——**它拖着自己穿过一个实际上抓不住的流体表面。**水生蜗牛是怎么将水面转变为可以有效提供“立足点”的表面呢？

　　回想一下陆生蜗牛是怎么运动的呢？蜗牛：我走路不靠脚，靠浪。

　　蜗牛足部的强健肌体像波浪般地移动着，能使蜗牛缓慢地向前移动。

　　图片来源：pixabay

　　蜗牛能够像波浪一般移动的秘诀就在于粘液：粘液具有粘性，如果压力超过一定水平，就会像液体一样流动。

　　当蜗牛的“脚”压在粘液的痕迹上面时，粘液为脚的某些部位提供了粘性抓地力，同时润滑其他部位的运动。

　　陆生蜗牛运动机制的核心是坚固的表面，如果没有坚固的表面，蜗牛则难以附着在上面。那么，水生蜗牛是如何在水面上“为所欲为”的呢？

　　首先，水生蜗牛的壳可以捕获一部分空气，使得它可以大致浮在水面处。

　　可以理解为蜗牛的壳成为了蜗牛在水中的浮板或者游泳圈。

　　那水生蜗牛还分泌粘液吗？同陆生蜗牛一样，水生蜗牛也会分泌粘液。

　　蜗牛的“脚”和水面之间存在一个黏液层。在运动过程中，蜗牛的“脚”会主动皱成毫米级的波纹状，这会导致在“脚”和空气之间分泌的粘液层中产生相应的波纹。

　　最后，蜗牛是怎么动起来的呢？

　　在地面上蠕动前进的陆生蜗牛

　　粘液层受到“脚”的影响发生形变，同样也受到表面张力的限制，粘液层的表面形变并不能与蜗牛“脚”的波纹状完全相同——部分粘液层被挤压，部分被拉伸，产生一个压力差，推动脚向前。

　　看来像蜗牛一样水上漂（爬）也很难啊，别的女孩子的wave鸾回凤翥，我的wave像违规钻栏杆。 

　　水上漂就没有别的办法了么？我不信！公园湖里那么多水黾，它们又是怎么“水上漂”的？

　　划水王者水黾

　　比起蜗牛，水黾的运动方式似乎和我们更相近了吧？如果我瘦成一道闪电，能不能也在水上漂？

　　图片来源：piaxbay

　　蜗牛靠自带的“游泳圈”贴近水面，水黾是怎么“站”在水面上而不会沉下去的呢？

　　构成液体的水分子之间存在相互作用力，需要消耗较大的能量才能形成新的气水界面，纯水的表面能约为0.07 J/m2。

　　液体内部的分子所受到的各个方向的作用力相对平衡，但对液体表面的分子而言，缺少了来自上方液体的作用力，就会在内部液体的“牵拉”下，“绷紧”表面，形成张力，即表面张力。

　　图片来源：piaxbay

　　水黾能够克服重力“站”在水面上，与表面张力是密不可分的。首先，水黾腿部末端细长，在水面上可以获得较大的毛细管力（capillary tension）。

　　水黾腿上有疏水的油质细毛，可以为水上滑行提供保障。

　　当疏水物体被压入空气和水的界面时，水会尽量减少它与物体的接触，这种情况下，通常会形成新的表面。

　　水黾脚部处的水面形成了凹坑 | 图片来源[2]

　　因此，当水黾将它的疏水细毛压在水面上时，水面上就会形成一个凹坑，空气-水界面面积变大。

　　由此产生的毛细管力的垂直分量与重力相抵消，使得水黾被支撑起来。

　　水黾在水面的受力示意图 | 图片来源[2]

　　但在我们的常识中，似乎只有比较小的动物才能够在水面上被支撑起来，这是由于受到了什么限制呢？

　　撑起水黾的毛细管力——与接触液体的腿的周长成正比，因此大致上与生物的线性尺寸成比例。而动物的体重与其体积成正比，近似与其线性尺寸的立方成正比。

　　简单来说，毛细管力随着动物线性尺寸成正比增加，而体重随着动物线性尺寸成立方关系增加。

　　换句话说，随着体型的增加，动物沉进水里的倾向比被支撑起来的倾向增加要快得多。

　　因此，站在水面上是小型动物的独家绝学。那么，水黾这一类动物在水面上运动的驱动力从何而来呢？

　　水黾细长的腿在滑动时，会在水面上形成表面波和较浅的“凹坑”——半球形的偶极涡旋。这些涡旋会与水黾呈相反方向运动，速度大约为4 cm/s。

　　漩涡与水黾的运动方向相反 | 图片来源[2]

　　将涡旋近似为半球形，得到水黾两条腿造成涡旋的动量大约为10-5 kg·m/s，对于水黾，其重量为10-5 kg，以1 m/s的速度运动，动量同样为10-5 kg·m/s。

　　实际上，水黾这种“划船运动”是相当高效的。当质量为Mi的昆虫以U的速度前进时，其身体的动能是动物运动的有效能量（‘useful’ energy）。当水黾在水面上身体加速的过程中，水黾也会耗费的一定的能量（‘wasted’ energy）。

　　由上可知，水黾的运动效率为：

　　代入数值后得到的运动效率可以达到96%！

　　这说明水黾利用涡旋推动大量的水低速度后退，轻松的创造了大量的动量。

　　原来水黾才是真正的“划水”高手啊，凭借高达96%的“划水效率”把我远远甩在了身后，没想到最终，我连“划水”都输了。

　　研究这么半天…我好像确实没有机会“水上漂”了。毕竟我没有粘液，没有壳，尺寸也远远超过了站在水面的极限…

　　虽然这些运动机制我们用不上，但是可以发展出多种多样的仿生学应用。

　　比如根据蜗牛腹足腺粘液开发的蛋白复合胶；仿生水黾机器人，可以有效的帮我们进行自然科学研究和军事侦察；受到水黾腿部疏水结构的启发，可以制备人工设计的超疏水表面，等等。

　　所以…我还是继续“举手 晃动 一起来 Naughty Bounce，每天都在天上飞”吧…

　　参考资料

　　[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. 水黾腿特殊浸润现象的研究及材料仿生[D]. 中国科学院大学,2010.

　　[4]张新彬. 基于表面张力的仿水黾机器人研究[D]. 黑龙江:哈尔滨工业大学,2016.

　　[5]钟天翼. 蜗牛腹足腺粘液的自组装及丝素/蜗牛粘液蛋白复合胶的研究[D]. 江苏:苏州大学,2018.