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蜗牛实在是太科学了

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关于特殊材料的报道中,最有趣的是哪些?

知乎用户,88~

蜗牛仿生机器人

 

蜗牛能够带着自身的重量在竖直的墙上攀爬。这需要两个条件,一是不掉下来,二是能往上爬。蜗牛的伪足与墙壁之间有一层它分泌的粘液。如果蜗牛不掉下来是靠这层粘液的粘附力,那蜗牛要向上移移动反而就要克服这一粘力,花费比自身重量更多的力气;如果蜗牛能向上爬,靠的是这层粘液的润滑作用,那这种润滑作用首先就会使蜗牛往下滑,无法固定在竖直的墙壁上。这是两个无法调和的矛盾,或者说最适合的妥协就是既不往下掉也爬不上去,有等于无。但事实上这个粘液并不是像阑尾那样的自然选择选漏了的多余物,而是既有粘附作用又有润滑作用。假如我们希望对蜗牛进行仿生,除了要搞清楚蜗牛伪足的蠕动方式之外,还要知道蜗牛粘液的流变性质,对粘液也进行仿生。

养很多大蜗牛,把粘液收集下来做流变测试,发现蜗牛的粘液有很多特殊的性质。人工的液体要集这么多性质于一身还不容易。第一,它是屈服应力流体(yield stress fluid),第二,它有适中的触变性(thixotropy)。经典牛顿流体的粘度是一个常数,不会随外力或时间而变化。但蜗牛的粘液不一样,当施加的外力较小时,它的黏度很大,表现为很黏稠的东西。但是当施加的外力大于一定值(屈服值)后,它的黏度就会突然下降,变成很稀的东西。撒去外力之后,粘液的粘度能恢复到原来的高水平。上述的这种屈服和恢复过程,都不是立刻发生的,而是随时间有个响应过程,太快或太慢响应都不对付。

蜗牛爬行时,是通过伪足的蠕动,对粘液层的局部进行剪切,这一小部分的粘液的粘度就会降低,方便伪足移位,但剩余的部分的粘度仍然很高,起固定作用,使蜗牛不至于下滑。如果观察蜗牛在行进中伪足的蠕动,可发现是从前到后呈波浪式变化,这就是受剪切的局部不断往后推,身子不断往前移的过程。这除了要求粘液在屈服前后的粘度差要非常大之外,还需要粘液粘度的恢复时机要刚刚好。屈服后能保持一段时间的低粘度,但又要及时恢复到高粘度。具体调节,要看蜗牛伪足蠕动的节律。因此,对于一只蜗牛来说,它的肌肉控制能力,跟它所分泌的粘液的触变性,在时间尺度上一定是恰好匹配了的。拿一种蜗牛的粘液给另一种蜗牛来用,很可能就会失效。我不喜欢在这时候说一句“这就是造物主的智慧”,不然好像我支持 Intelligence Design 一样,但这种利用方式确实是人没有想到过的。

蜗牛的粘液在大形变区域还有应力硬化行为,也就是说能承受一定的张力。粘液的这种性质可能对蜗牛的其他生理活动有帮助。

为了寻找能比较全面地模念蜗牛粘液的人工替代液体,研究人员试用了几种屈服应力流体,调整配方。比较的基准是对样品非线性粘弹性的定量表征结果。

相关的研究论文:

Soft Matter 2007, 3, 634

Phys. Fluids 2005, 17, 113101

成果展示(视频和新闻):

http://videos.howstuffworks.com/mit/2670-mits-robotic-snail-video.htm

http://www.sciencentral.com/articles/view.php3?article_id=218392185

http://web.mit.edu/newsoffice/2003/robosnail.html