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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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新研究或啟發(fā)高性能儲(chǔ)水材料的仿生學(xué)設(shè)計(jì)
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Futurity報(bào)道，研究人員通過使用高分辨率顯微鏡和三維技術(shù)，首次展現(xiàn)了沙雞羽毛的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示了沙雞羽毛高容水量的秘密。 研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，其發(fā)現(xiàn)將支持需要控制吸收、安全保留和輕松釋放液體的工程設(shè)計(jì)。 可能的應(yīng)用包括用于收集和保留沙漠地區(qū)霧氣和露水的水瓶和集水網(wǎng)等。 一種鳥的羽毛擁有在飛行中保存水分的不可思議能力，或許可以啟發(fā)下一代吸水材料的誕生。 研究人員利用高分辨率顯微鏡和三維技術(shù)，拍攝了生活在沙漠的沙雞其羽毛的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，并首次揭示了沙雞羽毛如何能夠容納如此多水分的奧秘。 該論文的合著者、約翰霍普金斯大學(xué)民用和系統(tǒng)工程系專攻智能材料和設(shè)計(jì)的助理教授Jochen Mueller表示：“大自然成功地創(chuàng)造了如此完美高效的結(jié)構(gòu)來吸收和容納水，真是令人感到著迷。從工程師的角度來看，我們認(rèn)為這些研究結(jié)果可以啟發(fā)新的仿生材料的研發(fā)�！� 非洲沙漠的沙雞通常在距離水源20英里處筑巢，以躲避捕食者。為了將水帶回炎熱的巢穴，成年雄性沙雞上演著自然界的水源搬運(yùn)最佳實(shí)踐：在水源處收集水，再帶著水飛行回家。這是一項(xiàng)非常特別的壯舉，因?yàn)樯畴u每次飛行約為半小時(shí)，時(shí)速達(dá)64公里/小時(shí)，飛行過程中需要攜帶其自身體重約15%的水，且大部分水都需要被安全地保存下來。 雄性沙雞是已知的唯一能夠這樣儲(chǔ)水的鳥，其腹部羽毛則是成功關(guān)鍵。 50多年前，學(xué)術(shù)界首次記錄了這些非凡的腹部羽毛。而依賴于現(xiàn)代影像技術(shù)，這一研究團(tuán)隊(duì)最終向我們展示了這些羽毛的工作原理。 Mueller和麻省理工學(xué)院的Lorna J. Gibson通過運(yùn)用掃描電子顯微鏡、微型計(jì)算機(jī)斷層掃描、光學(xué)顯微鏡和3D錄像技術(shù)，聚焦于腹部羽毛的微結(jié)構(gòu)，仔細(xì)觀察了細(xì)小的羽軸（每根的寬度僅相當(dāng)于人類頭發(fā)的寬度）及更微小的獨(dú)立羽片。 該團(tuán)隊(duì)對(duì)羽毛圖像進(jìn)行了大幅放大，既觀察其干燥狀態(tài)，又觀察其濕潤(rùn)狀態(tài)。隨后，他們進(jìn)行了一項(xiàng)既微妙又至關(guān)重要的操作：在放大了干燥羽毛的圖像后，將羽毛浸入水中然后取出，再重新浸入水中，模擬沙雞收集水時(shí)的行為。 Mueller表示，“做這項(xiàng)研究操作時(shí)，你甚至都不能呼吸，否則你就會(huì)把這些羽毛吹走�！� 按照Mueller的說法，一片沙雞羽毛的結(jié)構(gòu)竟然如此“壯觀”，其羽毛成分及彎曲方式都經(jīng)過多方優(yōu)化，微小的羽片在潮濕時(shí)形成保護(hù)性的帳篷狀集團(tuán)，羽片內(nèi)的管狀結(jié)構(gòu)則用于捕獲水分。 單片的羽毛通過沿著羽軸附近的小羽林和末端附近卷曲的小羽片一起保持水分，就像是蓋子一樣。 Mueller表示，這樣的細(xì)節(jié)令他們感到無比興奮，“這就是我們需要理解的內(nèi)容——只有明白了羽毛的作用機(jī)制，我們才能夠基于這些原則來創(chuàng)建新材料�！� 該團(tuán)隊(duì)還對(duì)沙雞羽毛的吸水量進(jìn)行了計(jì)算模擬。 Mueller和Gibson認(rèn)為，他們的發(fā)現(xiàn)將支持需要控制吸收、安全保留和輕松釋放液體的工程設(shè)計(jì)。 研究人員認(rèn)為，目前可能的應(yīng)用方式包括設(shè)計(jì)用于收集和保留沙漠地區(qū)水霧和露水的集水網(wǎng)，以及設(shè)計(jì)能防止搖晃和潑濺的水瓶。 對(duì)于水瓶或運(yùn)動(dòng)背包，Mueller所考慮的設(shè)計(jì)可以安全地容納大量液體，其核心是一個(gè)羽毛狀的儲(chǔ)水系統(tǒng)，能夠防止水在人移動(dòng)時(shí)四處晃動(dòng)。他認(rèn)為能夠做到這一點(diǎn)的水瓶或儲(chǔ)水袋，會(huì)特別受跑步者的歡迎。 此外，他還設(shè)想了更易于使用的下一代醫(yī)用拭子，“這種設(shè)計(jì)可以更高效地吸收并釋放液體。在采集新冠病毒鼻拭子樣本時(shí)，如何釋放液體是一個(gè)普遍的難題”。 接下來，該研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用3D打印技術(shù)制作出類似的結(jié)構(gòu)，并探索其可能的商業(yè)應(yīng)用。 在該研究中使用的沙雞腹部羽毛來自于哈佛大學(xué)比較動(dòng)物學(xué)博物館的一只成年雄性南非沙雞（Pterocles namaqua）。 這項(xiàng)研究發(fā)表在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)界面雜志》上，并由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。 資料來源: 約翰霍普金斯大學(xué) 本文作者： Jill Rosen，約翰霍普金斯大學(xué)高級(jí)媒體關(guān)系專員 |
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