蜜蜂作為典型的食蜜昆蟲(chóng)，是自然界中最重要的傳粉者之一，每年能帶給人類(lèi)巨大的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。相比其他的食蜜昆蟲(chóng)，蜜蜂具有顯著的高粘度花蜜攝取能力以及優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力。近期，中山大學(xué)航空航天學(xué)院吳志剛教授和吳嘉寧副教授課題組揭示了蜜蜂飲蜜口器的材料與表面特性，以及其對(duì)結(jié)構(gòu)整體柔度的影響。論文發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces（《ACS應(yīng)用材料與界面》）。

圖 采集花蜜的蜜蜂和中唇舌疏水的剛毛

蜜蜂采集花蜜的主要器官是位于蜜蜂口器中央的中唇舌。這個(gè)結(jié)構(gòu)具有多環(huán)節(jié)的特征，且每一環(huán)節(jié)上都密布了用來(lái)蘸取粘性液體的剛毛。研究發(fā)現(xiàn)，中唇舌表面的剛毛是高度疏水的（接觸角近150°）。這一結(jié)果一開(kāi)始讓研究人員感到非常意外，疏水的器官表面是如何蘸取花蜜的呢？通過(guò)冷凍電子顯微鏡觀(guān)測(cè)，作者發(fā)現(xiàn)自然狀態(tài)下的蜜蜂中唇舌表面有一層液體薄膜（應(yīng)是口器內(nèi)部的唾液腺分泌的唾液）。液膜的存在便能使得中唇舌保持穩(wěn)定的可潤(rùn)濕狀態(tài)，從而成功地接觸并捕獲外界的液體食物，所以蜜蜂蘸取花蜜的過(guò)程不會(huì)收到影響。

圖 中唇舌自然狀態(tài)下的冷凍電鏡照片

在自然環(huán)境下，蜜蜂可以通過(guò)獲取花蜜、汁液、果汁或鹽水等補(bǔ)充自身的養(yǎng)分，這意味著它的舌頭必須能夠與各種各樣的外界環(huán)境相互作用，比如狹窄的花朵開(kāi)口、粗糙的樹(shù)皮、形狀不規(guī)則的腐爛果實(shí)和潮濕的土壤。然而，由于植物分泌的具有養(yǎng)分的液體食物在自然競(jìng)爭(zhēng)中總是處于少量的（比如液體裝或液膜狀），蜜蜂細(xì)長(zhǎng)的中唇舌結(jié)構(gòu)不可能全部蘸取到液體食物，而總會(huì)有一部分暴露在空氣中。這一部分的剛毛由于暴露在空氣環(huán)境中容易收到表面張力的作用被黏附在舌頭表面。

圖 蜜蜂在不同環(huán)境上的攝食

作者通過(guò)原子力顯微鏡的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，蜜蜂中唇舌的剛毛剛度（彈性模量~1GPa）遠(yuǎn)大于環(huán)節(jié)的剛度（彈性模量~5MPa）。雖然堅(jiān)硬的剛毛將有助于在液體環(huán)境中的展開(kāi)蘸取，以及防止在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中和外界產(chǎn)生的摩擦損耗，但是在空氣環(huán)境中黏附在舌頭表面的剛毛就像一幅盔甲一樣限制了內(nèi)部若軟的環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，將極大的限制了結(jié)構(gòu)整體的靈活性。

圖 原子力顯微鏡測(cè)得的中唇舌剛毛的彈性模量

作者通過(guò)高速視頻觀(guān)測(cè)和原子力顯微鏡證實(shí)，蜜蜂剛毛的疏水性將能較大程度地降低舌頭表面的液膜對(duì)剛毛的粘附力，所以在結(jié)構(gòu)的整體彎曲過(guò)程中，剛毛能夠有效地從舌頭表面脫附并展開(kāi)，讓柔軟的環(huán)節(jié)承擔(dān)中唇舌的變形。大大提高了結(jié)構(gòu)整體的柔順性。

圖 疏水的剛毛有助于在舌頭表面順利展開(kāi)，提高舌頭的靈活性

作者最后還通過(guò)有限元計(jì)算，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行建模演示。

圖 有限元計(jì)算模擬了疏水剛毛和親水剛毛兩種情況下舌頭的柔性

該研究以蜜蜂中唇舌為例，向人們展示了機(jī)構(gòu)表面微結(jié)構(gòu)的親疏水特性對(duì)結(jié)構(gòu)整體的靈活性的影響，并且可以啟發(fā)復(fù)雜的新材料的設(shè)計(jì)，例如粘性微流體的柔性轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

相關(guān)論文信息:

Jiangkun Wei（魏蔣坤）, Yingqi Liang（梁穎琪）, Xingdi Chen（陳星迪）, Stanislav N. Gorb, Zhigang Wu（吳志剛）, Huizeng Li（李會(huì)增）, and Jianing Wu（吳嘉寧）, Enhanced Flexibility of the Segmented Honey Bee Tongue with Hydrophobic Tongue Hairs, ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

https://doi.org/10.1021/acsami.2c00431