毛はミツバチの腹の耐久性を高めました

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毛はミツバチの腹の耐久性を高めました
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ミツバチの腹部の毛の電子顕微鏡写真

中国のエンジニアは、ミツバチの腹部の表面での毛の役割を理解しました-それらは腹部プレート間の接触を減らし、それによってそれらの間の摩擦を下げることが判明しました。これにより、ミツバチは伸縮自在の腹部の動きを実行でき、摩擦エネルギーを40%節約できます。腹部の表面の理論的説明のために、科学者は毛のある表面の弾塑性変形のモデルを開発しました-毛は弾性衝撃吸収材として機能します。この記事は、ジャーナルApplied Materials&Interfacesに掲載されました。

ミツバチは動きの間に、折りたたまれたセグメント間膜を使用して腹部を伸縮自在に伸ばします。摩擦を減らすために、体の表面が腺から放出されたワックスで覆われていることはすでに知られています。ただし、不要な摩擦に対処するのに役立つのはグリースだけではありません。カブトムシの表面構造に関する研究に触発されて、科学者たちはすでに構造的に摩擦が低減されたコーティングを手に入れました。このようなコーティングは、乾燥摩擦を回避できない操作中の材料の開発に役立ちます(たとえば、真空設備で)。

北京理工大学と清華大学のMingyueWangらは、ミツバチの腹の表面の毛を研究しました。観察の対象として、科学者たちは地元の研究所からいくつかのミツバチを選びました。腹部の動きを観察するために、科学者たちはミツバチの頭と胸を固定しました。腹部屈曲の1サイクル中に、5番目のセグメントの長さが385から1004マイクロメートルに変化し、5番目と6番目のセグメント間の平均距離が0〜600マイクロメートルの範囲で変化しました。これは、蜂が摩擦する可能性が高いことを示しています。このための特別なメカニズムはありませんでした。

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ミツバチの腹の動き

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毛のある腹部の電子顕微鏡写真

ミツバチが自然死した後、科学者たちは腹部を体の残りの部分から切り離しました。それらを超音波処理下でリン酸緩衝液で洗浄して、ほこりおよび花粉残留物を洗い流した。次に、腹部をさらに洗浄し、エタノールで脱水した後、乾燥させ、電子顕微鏡でスキャンできるように金の層で覆った。調査中に、髪の毛のサイズを確立することができました:長さ-100-200マイクロメートル、そして最大6マイクロメートルの厚さ。この場合、毛は10倍から30倍に分岐し、表面の毛の密度は1平方ミリメートルあたり約150本でした。

摩擦力を決定するために、科学者は原子間力顕微鏡を使用して実験を行いました。ミツバチの背中の正方形のサンプルをプローブに取り付け、毛のある表面と対照の滑らかな表面を摩擦面として選択した。一般的なケースでは、同じ負荷で、毛深い表面の摩擦は滑らかな表面の摩擦よりも小さいことがわかりました。

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原子間力顕微鏡プローブを使用した摩擦実験(下)は、表面の高さマップ(左)が滑らか、(右)毛深いことを示しています。

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滑らかな(破線)および毛深い(実線)の荷重の大きさに応じた摩擦係数。各構成について、ミツバチの腹部の異なるセクションで6つの実験を実施しました。

髪の毛が摩擦を減らす方法を確立するために、科学者たちは機械モデルを調べました。腹部と平らな面との接触はプラスチックであり、毛深い表面との接触は弾塑性です。さらに、接触マップに基づいて、平面全体にわたって滑らかな表面との接触があり、毛のある表面との接触があります-髪の毛のカットに沿ってのみ。計算すると、毛深い表面での塑性変形の寄与は、平らな表面よりも低いことが明らかになりました。つまり、毛は弾性衝撃吸収材として機能します。

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毛深い表面の場合の摩擦モデル

摩擦の減少中に蓄積されたエネルギーを推定するために、エンジニアは6つのセグメントの平均摩擦力を計算し、18日間の収縮間隔の数(約622千の腹部収縮)も推定しました。負荷が増加すると、毛深い表面と滑らかな表面の間のエネルギー増加のみが増加します。ミツバチのストレス下では、毛は摩擦を40%減らし、0.69ミリジュールを維持するのに役立ちます。科学者たちは、柔らかいデバイスの表面に弾性マイクロファイバーを適用することで、耐久性が向上することを期待しています。

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滑らかな(黒い線)および毛深い(赤い線)表面の摩擦エネルギーと適用荷重の関係

マイクロ波は、表面間の摩擦を減らすだけでなく、ファンデルワールス相互作用によって接着力を高めることもできます。これは、そのような効果に対してより粘り強いアクチュエータを作成するヤモリや経験豊富なエンジニアによって使用されます。

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