“蚊子君”与力学原理

weixin

在刚刚过去的炎炎夏日，与科研缠斗的日子里，最耗费的东西如果不是头发，那一定是花露水。毕竟谁还不是个为了对付蚊子秒变武林高手的小可爱呢？

关于蚊子，“百年来中国第一好玩的人”——迅哥这样说

“蚊子便不然了，一针叮进皮肤，自然还可以算得有点彻底的，但当未叮之前，要哼哼地发一篇大议论，却使人觉得讨厌。”（鲁迅《华盖集：夏三虫》）

如此的描述恐怕是不能更准确了。但闲来无事，翻翻Web of Science和Scopus，这些恼人的蚊子在 “讨厌”的同时，似乎也给科研人员带来了诸多启发和灵感~

参考文献中的文章内容也是丰富多彩，有蚊子运动、进食等“日常起居”和人类的“防蚊攻略”，也有仿生结构与材料的设计，其中不乏与力学相关的研究与工作。作为力学人，我们不妨一起来盘一盘，这些文章中与“蚊子君”相关的力学原理，体会下大自然在设计它们时的用心良苦。

蚊子的“轻功水上漂”
有过这样经历的大概不止我一个人：早上来到办公室，书桌上杯子里还有前一天没有喝完的水，定睛一看水面还漂浮着一具蚊子的小小尸体……此时我们不禁会想到一个问题：为什么有些 “幸运蚊”可以顺利在水面着陆再起飞，而有些则会“机毁蚊亡”？

图1 蚊子腿部宏观结构

解释这个问题就要从蚊子的大长腿谈起。蚊子腿部的宏观结构如图1(a) 所示，由股节(femur)、胫节(tibia) 和跗节(tarsus) 三部分组成。蚊子着陆的过程从跗节接触水面开始，水面随后发生下凹。如果在此过程中水面被刺破，那么水与蚊子腿部的范德华力、氢键等黏附作用会使它很难再次脱离水面，最终沉入水中。因此，为了保证降落过程中水面完整，蚊子需要进行腿部姿态的调整。一方面，“三段式”的腿部结构使蚊子可以灵活调节着陆时跗节与水面的角度θ。如图1(b) 所示，当θ 处于0°~ 20°范围内时，水面提供的支撑力最大。另一方面，由于蚊子腿部的跗节非常柔韧，可以跟随水面的下凹发生弯曲变形，可以有效地避免了应力集中，降低刺破水面的可能性。

图2 蚊子腿部微观结构

与此同时，蚊子腿部精妙的微结构也发挥着重要的作用。如图2(a) 所示，蚊子的腿部覆盖有鳞片，鳞片表面有纵横交错的网格状结构。这样的有序多级微结构增加表面粗糙度同时可以容纳许多气体分子，形成气垫，使蚊子的腿部表面呈现“超疏水”特性（水与其接触角为153°），增大了水面对于蚊子的承载能力。如图2(b) 所示，随着腿部与水面接触长度的增大，承载力增强。由此可见，腿部精巧的宏观与微观结构使蚊子可以更安全地在水面停留。

为防止被叮，我们要有多拼？
设计精细的不仅有蚊子的腿，还有他的喙。蚊子的喙由保护套（下唇）和被其包裹的6根探针组成。在叮咬人体的过程中，蚊子需要将上颚刺入皮肤并使用带有锯齿的下颚采用变频的方式将皮肤锯开，再通过上唇吸取血液。这样的一顿复杂操作使叮咬的穿刺力仅为16.5μN，是打针时针尖穿刺皮肤的力的十万分之一（相关的研究被用于设计微型针头，用以减轻注射带来的痛感）。虽然没有痛感，蚊虫叮咬带来瘙痒感的和疟疾、登革热等传染病，依然让我们“望而生畏”。因此，防止蚊虫叮咬也在科研人员的“研究列表”中。

图3 石墨烯在防蚊虫叮咬上的应用

根据实验室“绝密”规定：“思路不清晰，加点儿石墨烯”。如果将石墨烯覆盖在皮肤上，也许会有不错的效果。然而单层石墨烯仅可抵抗大约为0.08~3μN的穿刺力，显然不足以用来抵抗蚊子的“袭击”，因此多层石墨烯薄膜更值得尝试。

相比于裸露的皮肤，蚊子更难“侦查”到覆盖有干燥氧化石墨烯(GO) 膜的皮肤，这主要是因为GO膜会阻碍人体代谢产生的CO2、水分子等代谢物分子在空气中的扩散，使蚊子无法“嗅”到皮肤的位置。然而当皮肤上覆盖润湿的GO膜时，这种屏障作用就消失了。这是GO膜与水形成凝胶导致的，GO凝胶不能阻碍分子扩散的同时由于过于柔软而不能抵抗蚊子的穿刺。但还原石墨烯(rGO) 膜与水的界面稳定，如图3(b)，厚度超过1μm的干燥/湿润rGO膜可有效阻挡蚊子的叮咬。

从测试中可得知，石墨烯膜在不同的润湿状态下可通过阻碍分子扩散和抵抗机械穿刺两种不同的机制防止蚊虫的识别和叮咬。同时石墨烯轻薄而柔软，非常适合作为布料的组分。也许有一天，我们可以穿着石墨烯外套安稳地坐在办公室里，不用担心蚊子的侵扰了。

三“蚊”行，必有我师
虽然蚊子的“嗡嗡嗡”让人烦躁，但不得不承认，人们也在蚊子身上得到了许多启发。

图4 仿生结构

在雨天和雾天，蚊子依然具有“看清前路”的能力，这主要是因为它具有独特的复眼结构。如图4(a) 所示，蚊子的复眼由上百个小眼组成，每个小眼上覆盖有排列整齐的半球状结构。这样的层级结构具有特征表面粗糙度，同时可以容纳气体分子，使复眼在湿润的环境中依然保持干爽，这为超疏水材料的设计带来了新的思路。

蚊子也可以为微型飞行器的设计提供参考和借鉴。如图4(b)所示，蚊子雨天飞行时，由于其具有低质量以及坚硬的外骨骼并可以灵活调整飞行姿态，可以减小雨滴对蚊子冲击的作用力，此原理也可以用于维持微型飞行器飞行过程的稳定性。另外，蚊子飞行过程中，可以通过感知自身诱导的流场的变化，来探测附近壁面的存在，从而达到避障的目的，图4(c) 即为借鉴该原理设计的微型飞行器。

最后的啰里吧嗦
高端的文章，背后一定有不简单的故事。这些课题看似充满趣味，但再仔细看看文章的补充材料和视频，研究的进行也是失败循环往复，过程繁琐又无聊。所以即便是这些CNS级别的研究成果，也不外乎始于兴趣而终于坚持。毕业在即，送给自己也送给师弟师妹们：未来的研究也许并不一帆风顺，但即便遭遇瓶颈，也愿大家依然记得第一次谈及科研时的兴奋与激动。不忘初心，漫漫科研路上，我们以此共勉。

参考文献：
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[5] Gao, X., Yan, X., Yao, X., Xu, L., Zhang, K., Zhang, J., Yang, B., Jiang, L. 2007. The dry-style antifogging properties of mosquito compound eyes and artificial analogues prepared by soft lithography. Advanced Materials 19 (17):2213-2217.

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来源：力学科普微信公众号（ID：lxkp_cstam），作者：常正华。

tonan_888@163.c

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