462 / 2021-06-18 10:32:17

蜜蜂腹部具毛表面的减阻机制研究

蜜蜂具有分节的腹部结构，在其生命周期内，相邻腹节壳体间的往复式相对滑动次数可达数千万次。相邻壳体间的相对滑动会导致接触表面间的摩擦，但观测发现相互嵌套的腹节结构却几乎没有磨损，这种减磨机制至今仍不清楚。为此，本研究探索了蜜蜂腹部毛状表面的生物摩擦减阻机制，在扫描电子显微镜下观察了蜜蜂的腹部结构及表面形貌，发现蜜蜂腹部外壳表面密布着致密的微绒毛结构，这种微绒毛结构在调节相邻腹节间的摩擦特性上发挥了重要作用。进一步。利用原子力显微镜测量了蜜蜂腹部外壳有毛或无毛表面上移动时产生的摩擦。研究表明，由于微绒毛结构的存在，相邻壳体的上下表面没有直接接触。在相同载荷下，毛状表面的摩擦比光滑表面的摩擦小。随着载荷的增加，无毛表面的摩擦力增加，而有毛表面的摩擦力没有明显的增加。在腹部收缩过程中，嵌套结构的小径壳体外表面微尺度毛发阵列可以显著减少真实接触面积和摩擦，微绒毛结构表面减少了约60%的磨损，为每次腹部的收缩和弯曲运动节省了能量。蜜蜂腹节间的这种微纹理顺应性减磨减阻结构可以用于制造分层结构表面，应用于长期运转的滑动摩擦运动副，对延长机械系统的使用寿命具有重要工程价值。