甲虫前翅结构及其仿生研究进展_陈锦祥

复合材料学报第27卷第3期6月2010年A cta M ateriae Co mpo sitae Sinica
V ol 127
N o 13
June
2010
文章编号:1000-3851(2010)03-0001-09
收稿日期:2009-07-05;收修改稿日期:2009-10-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(50273034E0302)
通讯作者:陈锦祥,工学博士,教授,从事生态轻量型仿生板材,玄武岩纤维增强复合材料的基础与应用研究
E -mail:chen jpaper@yahoo.co.jp
甲虫前翅结构及其仿生研究进展
陈锦祥*1,2,关苏军2,王 勇2
(1.东南大学城市工程科学国际研究中心,南京,210096;
(2.浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室,杭州310018)
摘 要: 综述了近年来国内外有关甲虫前翅结构与仿生应用的研究成果及其发展前景。

指出前翅是以小柱为中空层的框架式结构,其左右前翅结合部分是一种巧妙的凹凸啮合结构;前翅内存在着网状-小柱结构,这是一种轻量型夹芯层状三合板结构;小柱中的纤维与上下层中的纤维是连续的,可有效增加叠层复合材料的抗剥离强度;一些甲虫前翅的表面具有特殊的生物结构,从而具有一些特殊的功能,如具有减阻、集水或显色功能。

结合生命科学的最新研究成果,提出了通过基因组技术生产仿生材料的设想。

关键词: 甲虫前翅;轻量型结构;仿生;集水结构;显色功能中图分类号: T B332 文献标志码:A
Progress in structural biomimetic research on forewing of beetles
CH EN Jinxiang
*1,2
,GU AN Sujun 2,WANG Yo ng
2
(1.Southeast U niver sity International Institute for U rban Systems Eng ineer ing,N anjing 210096,China;
(2.K ey Labor ator y o f Advanced T ex tile M ater ials and M anufact ur ing T echnolog y of M inistry of
Education,Z hejiang Sci -T ech U niver sity ,H ang zho u 310018,China)
Abstract: Research findings of the for ewing str ucture of beetles and the dev elo pment pro spects o f biomimet ic applicat ions wer e reviewed in this paper.T he for ew ing is o f frame st ructur e w it h small co lumns as vo id laminatio n,and the co upling area o f the left and r ig ht fo rew ings is o f the concave -conv ex meshing str ucture.T he honey co mb -co lumniatio n str ucture,which ex ists in t he fo rew ing,is a kind of lig htweight sandw ich plate st ructur e.T he fiber s betw een the co lumniatio n and the upper and low er layers of laminated composit e mater ial a re continuo us,w hich co uld effectively enhance the ant i-str ipping strengt h o f the laminated composite mat er ials.Special bio log ical str uctur es ex ist in the for ewing sur face of so me beet les,leading to its special pro per ties,such as dr ag-r eductio n,water capturing ,and co lo r dev elo pment.A nov el idea for pr oducing bio mimetic materials w as pro po sed by designing vital genes.
Keywords: beetles p for ew ing ;lightw eig ht st ructur e;bionics;w ater -co llect ed structure;co lo r feature
在自然界,生物为了生存和适应自然环境,经过漫长的历史进化,往往形成了具有优异性能或特殊功能的生物体结构。

因此,结构仿生学应运而生,已成为目前热门的研究学科之一[1-2]。

据记载[3]
,昆虫为地球上早期出现的动物,进化时期极其漫长;而且其种类繁多,约占所有动物物种的80%,可能给人们提供更多更优秀的生物设计案例。

例如,就甲虫前翅(也称鞘翅)而言,为了便于飞行,全身必须轻量化;因前翅暴露在外表,起着
保护躯体的作用,必须具有一定的强度。

从这些基本认识出发,可以推测前翅应该是一种轻量型、高比强度的生物结构。

又如,一些甲虫的前翅具有丰富的色彩,可以设想它可能含有特殊的发色基团或具有一些特殊的发色结构。

因此,甲虫前翅应该是一种很好的仿生对象。

但在过去很长一段时期内,甲虫前翅结构没有引起生物学界及工学仿生学界的足够重视,这或许与过去曾认为它是没有生命的物质[4]有关。

在以往的有关甲虫前翅的报道中,对于
前翅的成分,认为它主要由几丁质(Chitin)纤维及蛋白质(Protein)等构成[5-6]
;对于前翅的内部结构,
虽然也有关于气囊等的报道[7],但研究基本停留在二维纤维排列方式上,如层与层之间的几丁质纤维以螺旋方式排列
[8]
,等角排列的仿生复合材料的力
学特性[9-10]
,带小圆孔的双重螺旋结构仿生复合材料的损伤允许极限等[11-12]。

直到2000年,陈锦祥等报道了甲虫前翅具有以小柱为中空层的三维结构后[13]
,引发了新一轮对甲虫前翅结构的研究高潮[13-15]:陈锦祥等通过对多种甲虫前翅的研究,系统地考察了前翅的截面结构[13-14]
,内部微细结
构
[16-20]
,小柱结构
[21-22]
及部分表面微细结构[23]
,初
步探明甲虫前翅确实具有优异的力学特性[23-24]
,并
提出了相应的简易结构模型[19-20,25];与此同时,2001年Andr ew 报道过沙漠甲虫Stenocara 特殊表面结构的集水功能
[26]
;2000年陈斌等报道了对带
小圆孔仿生复合材料的强度研究[12]
;2006年起,
戴振东等也报道了关于甲虫前翅三维结构的研究,特别是他们对左右前翅凹凸啮合结构及其联接力,前翅表面硬度等进行了深入的研究[15,27-28]
;2008年,陈斌等还发现了某些甲虫前翅具有特殊的发光(色)结构[29]。

本文中着重对甲虫前翅中这些生物
结构进行分析归纳与综述,展望其仿生应用的前
景。

1 甲虫前翅的结构
1.1 前翅内部微细结构
前翅所具有的优异性能与特殊功能大多源于其独特的结构,图1为甲虫独角仙(A.dichotoma)和锹形虫(P.inclinatus)两种甲虫成虫的照片[30]。

1.1.1 甲虫前翅的断面结构
2000年起,陈锦祥等陆续发表了甲虫前翅
的
图2 锹形虫前翅的断面结构
Fig.2 Structur e of sections of P.inclina tus p s forew
ing
图1 甲虫独角仙和锹形虫(雄性)及其前翅Fig.1 Beetles (male)and their forew ings
断面结构及其力学性能等的相关报道[13-14,
23]。

图2
为锹形虫前翅的断面结构及其小柱的外观照片,可见前翅具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结
构,这种结构为一种轻量型的复合材料板材[19];同时,还可以观察到前翅左右两端的空隙度要比中间大得多,具有这种断面特征的框架式结构,有较大的抗弯曲及抗扭曲强度[13]。

1975年Fior i 就已提到了前翅的左右翅联接处为一凸凹的啮合结构
[31]。

2001年,陈锦祥等观察
到甲虫左右翅结合处,在不同Y 坐标上的位置,采
取了不同形状的凹凸啮合结构。

图3以锹形虫成虫为例,给出了Y 3和Y 2这两个不同位置的左右翅联接处的断面结构电子显微镜照片,并指出这是一种非常巧妙的对接结构[13]。

2007年,王卫英等还详细介绍了其它4种甲虫前翅凹凸啮合结构,指出其凸起部分的长度由头部至尾部呈线性变化:靠近头部区域最短,靠近尾部区域最长[15]
;不过,这种现象也可以从图3中锹形虫的啮合结构上清楚地观察到(图3中白色箭头所示)。

不仅如此,王卫英等进一步观察了东方龙虱前翅联接处的微细结构(如图4(a)),发现在其联接处由很多凹凸纹路组成及纹路周围长有许多小刺突,并认为这些小刺突可以起到加强啮合的作用[27]。

戴振东等还发现联接处B 、C 区(图4(b))的短毛
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2#复合材料学报
图3 锹形虫前翅的凹凸啮合结构Fig.3 Cross s ection of mesal s utural edge
of P.inclinatus p s forew ing
(小刺突)在前翅的联接力中起到了主要作用,而A 区的短毛对联接力几乎没有影响[28]。

并推测前翅
的啮合过程如下:首先凹凸结构相互啮合,接着凹凸纹路进一步啮合,同时小刺突相互交织而最终紧密连接。

经测定这种结构的连接力约为其体重的11倍[27]
;而且前翅的张合过程都在几十毫秒内完成。

因此这是一种高效,节能的对接机构[32]。

至此,陈锦祥等报道的前翅之间啮合结构是一种非常巧妙的对接机构的猜测得到了初步的证实。

1.1.2 甲虫前翅内的小柱结构
陈锦祥等首次报道了甲虫前翅中存在着数百乃至数千小柱的事实,并探讨了其微细结构
[23]。

图
5(a)、5(b)分别为小柱外形及内部结构的电子显微镜照片。

其中小柱的形状虽然与其所在位置有关,但多数小柱的基本结构相似,其横截面为如图5(a)所示的近似圆形;而柱子中的纤维则以连续的,大于90b 的角度与前翅上层及下层中的纤维相连接(图5(b))[13,
20,33]。

图4 东方龙虱前翅联接区域微细结构(SEM )[27
-28]Fig.4 M icrostru ctures of th e couplin g area of the cybister p s forewin g (SE M )
[27-28]
经甲虫前翅的力学实验[16]及复合材料样品试验[34]
证实,图5的小柱结构可以有效地提高复合材料的层间抗剥离强度。

图6为根据前翅下层的剥离曲线,通过推理得到的一个理想情况下的模型图。

所谓理想情况,就是假设剥离试验片中小柱只有一列,并且较疏排列。

在这种情况下将可以得到如图6所示的小柱剥离曲线模型图。

也就是说,它由一根小柱被拉断的锯齿部分F t (D ),和层间剥离层的平坦部分F l (D )组成。

因此,图6中的这些波峰是由于小柱中的纤维(图5)被拉断而引起的;实验表明,有小柱存在处,其抗剥离强化倍数局部可以
达到30多倍,平均也能达到3倍左右。

可见,小柱结构对层状的纤维强化复合材料而言,可以极其有效地提高层间的抗剥离性能。

1.1.3 甲虫前翅内部的网状-小柱微细结构
图7(a)为去除前翅下层后观察到的独角仙内部微细结构,图7(b)为下层没有被去除时的前翅照片[30]。

由图可见,独角仙前翅内部存在着一个完整的网状-小柱结构,称之为/蜂窝-小柱结构0。

图8所示即为独角仙前翅局部的结构简易模型
[22]
,由图可见,该模型为具有以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构。

戴振东等人对东方龙虱前翅截面结构研究也证
实了这种中空夹层状的结构,而且其力学性能测试结果表明前翅具有非均质性,如靠近尾部的硬度和模量均比头部大20%左右[27]。

1.2 前翅表面微细结构
甲虫前翅的表面(严格地说是表层)形貌从生物组织学的角度看,有体表被毛、不被毛及具有凹坑等特点,有些前翅具有规则排列的刺突和呈纵行排列的刻点。

前翅表面的不同特征显示了前翅形态的多样性,也形成了一些特异的功能。

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3#陈锦祥,等:甲虫前翅结构及其仿生研究进展
Ul:Up per lamin ation;Vl:Void lamination ;Ll:Low er lamination;Co:Columniation
图5 小柱外形及截面结构
Fig.5 Sh ape and vertical section of th e column
iation
图6 独角仙前翅的剥离曲线
Fig.6 Representative load -displacement curve in a
peeling test for A.dichotoma p s forew
ing
图7 独角仙前翅中的网状-小柱结构Fig.7 S tructure of h on eycom b -columniation
in the forew ing of A.dich
otoma
Ñ,Ó:protein su bstance;Ò,Ô:chitin fibers sub stance;Ul:upper lam ination:
图8 独角仙前翅的简易模型
Fig.8 Stru cture model of A.d ichotoma p s forewin g
1.2.1 具有减阻功能的表面结构
甲虫前翅表面的减阻为表面非光滑性的一种减
图9 蜣螂前翅表面微细结构[35
-36]Fig.9 Surface micr os tructure of th e forewing
of cop r isochus motsch ulsky [35
-36]
阻方法。

任露泉等在观察蜣螂前翅表面结构时,发现前翅表面由纵向间隔约1.2mm 的沟纹构成了许多长条形区域(图9(a)),还发现其表面有大量的球冠状凸起,且在表面任一划定圆中球冠状凸起的个
数满足高斯分布(图9(b))[35]
,这种特殊的表面结
构可在土壤或水中起到减黏降阻的作用[36]。

最近,戴振东等通过对东方龙虱前翅的研究,发现其前翅表面在微观上也是非光滑的,且有规律地遍布着凸起或凹陷(如图10);这些凸起和凹陷,在水中游行时可以起到减阻作用;并测得表面粗糙度为0.725L m,这一精度与机械加工中半精磨的水平相当
[27]。

图10 东方龙虱前翅表面微细结构[27]Fig.10 Local s urface m icrostructu re of the
forew ing of cy bister tr ip unc tatus [27]
1.2.2 具有集水功能的表面结构
Andrew 等人报道了沙漠甲虫Stenocara 表面
具有特殊的集水功能,图11(a)是一雌性Stenocara 甲虫成虫的照片,其上有很多无规则排列的突起;图11(b)是经染色处理后,一个突起的放大图,突起的顶部光滑洁净,并具有亲水性质,而侧斜面和底面基体则有一层疏水物覆盖;疏水表面上有很多呈规则排列的六边形半球形结构(图11(c))
[26]。

据
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4#复合材料学报
图11S tenocar a背部结构及背部集水过程图[26,37]
Fig.11S tenoc ara.s b ack s tructure and its p os tu re of capturing w ater from air[26,37]
报道,该虫集水时,头部朝着风向,背部与地平面大约成45b角(图11(d)),这样便于利用背部凝结湿空气中水蒸汽,并将水流入嘴中[37]。

由此,笔者推测该甲虫的集水原理为:用亲水突起吸附并凝结空气中的水分,规则的半球形结构用于增加吸附水分的接触面积并形成引水沟的表层;而疏水性基底则起到防止水分向体内渗透的作用,并构成引水沟的底层,让水向所需的方向流动。

1.2.3具有显色功能的表面结构
许多生物诸如蝴蝶[38]、鸟类[39]、蛾子[40]等有着非常绚丽的色彩[41],这些色彩有些并不是色素产生的,而是与生物体的微观结构有关。

这是一种生物体的显色方式,通常称它为结构色,是在纳米层次上的有序和无序结构相互作用的结果。

这些美丽色彩源于生物表面的有机或无机介质的有序排列,这些排列使得某一波段的光在其间发生干涉、衍射或散射等,从而过滤出特定波长的光,最终决定了其美丽的色彩[42]。

陈斌等在观察Chlor op hila obscurip ennis的前翅时,发现前翅具有特殊的显色功能(图12(a)),这些颜色不是由色素组成,
而是由其特殊表面结构
图12Chlor op hila obscu ripe nnis及前翅表面微细结构[29]
Fig.12Chlor op hila obscurip ennis and its
surface microstructure of th e forew ing[29]
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5
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陈锦祥,等:甲虫前翅结构及其仿生研究进展
图13 夹芯层状结构的简易模型
Fig.13 S imple m odel of structu re of honeycomb-colum niation
所引起的。

研究发现,前翅表面具有特殊的六角形结构(图12(b)),图中的棱与翅面的角度远小于45b ,因此光线在前翅表面可以同时发生镜面反射和非镜面反射,从而形成了特殊的表面颜色;这种表面颜色还会随着观察角度而变化[29]。

2 前翅结构的仿生应用与展望
仿生学的研究主要有2个任务:(1)发现那些自然界中巧妙的生物结构;(2)通过分析、比较、归纳出相应的模型,然后应用于实际。

不过,要仿制具有特殊性能的生物结构往往不是一件轻而易举的事。

因此,仿制生物结构也是仿生研究的重点与难点所在,在实际操作中,有时也需要作一些相应的简化。

2.1 前翅内部结构的仿生应用与展望2.1.1仿生啮合结构
正如在甲虫前翅的断面结构中所述的那样,啮合结构从头部到尾部断面形状是有机变化的,这种结构具有较大的抗弯曲及抗扭曲强度[34],应该是一种生物优化的设计结果。

现已证明,前翅左右翅之间联接处是一种非常巧妙的啮合结构。

此啮合结构轻质、高效,还保证了前翅在张合时不需要消耗太大的能量
[15,32]
;而且左右前翅联接处由很多凹
凸纹路组成,在凸起纹路周围长有许多小刺突,这些小刺突可以起到加强啮合的作用
[15]。

因此,这
一类啮合结构不失为一个很好的仿生对象,有望将其应用于太空对接机等的节能、精密领域[28],目前正在积极的探索研究之中。

2.1.2
轻量型仿生三合板结构
根据前述的甲虫前翅内部的蜂窝-小柱结构,
陈锦祥等提出了以小柱为中空层的夹芯层状三合板结构模型,并申请了相关专利(如图13)
[25]。

这是
一种轻量型的仿生复合结构,具有这种结构的板材是一种优秀的生态节能材料;可通过改变小柱的根数、小柱的分布,及多边形的形状,达到多样化设计的目的,最终满足实际使用的要求。

整个结构可以是同一材料,也可以是由纤维树脂等组成的复合材料;如果是后者,还可能通过改变小柱中纤维的排列方式等作进一步的深化设计。

图13(c)即为通过改变小柱数目、分布位置及网格形状进行多样化设计的具体例子[30]。

图14列举了用复合材料制作的简易模型的照片,图14(a)为俯视图,可以看到纤维正交排列,图14(b)为断面图[43]。

陈锦祥等将对这些复合材料的结构性能进行分析研究,同时,正致力于将这一优异结构应用到以木质或木塑为主要材料的建筑、家
具等行业中去。

图14 夹芯层状结构样品
Fig.14 Sample of the sandw ich con struction
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6#复合材料学报
2.2前翅表面结构的仿生应用与展望
对于前翅表面结构的仿生应用,任露泉等根据蜣螂前翅表面的研究结果,以蜣螂触土体表的形貌数据为基础设计出非光滑表面推土板,经实验证实此种推土板在高速运动中或与土体有较大相对切向运动时减黏降阻效果明显优于一般的光滑表面[44-45]。

对于集水功能的仿生应用,根据前述的增加吸附接触面积的方法,Andrew等利用玻璃进行了模拟实验,他们在集水器的上蜡集水面上安上了一些很小的玻璃珠;实验表明,改进后的集水量明显增加[26]。

当然也可以直接利用疏水性基底和一些在其上间隔排布的亲水突起,从空气中凝结水分的方式,达到集水目的。

这些存在于生物中的集水方法提供一种从大气中汲取水分的新思路;据报道,此项技术还可用于机场去雾,农田集水灌溉等方面[46]。

对于具有显色功能的表面结构应用,陈斌等研究的有关Chlor op hila obscurip ennis特殊表面的显色成果可应用于了显色、变色等方面;据此可通过对一些纤维进行分子或形状设计,或许可以生产出仿生的结构生色纤维[44-49]。

这样不仅可以省去纺织品生产中染色这一复杂工序,更重要的是可以减少纤维染色过程的污染,研制出生态仿生色彩纤维及服装成品。

因此,这将是一个非常有意义的仿生研究方向。

有些生物结构是极其复杂的,如前述的三合板结构中有数千根小柱与上下层相连,而且其中的纤维是连续的排列方式,仿制是极其困难的。

2008年5自然6杂志上报道了赤拟谷盗(Tr ibolium casta-neum)甲虫全基因组序列[47]。

有鉴于此,本文的通讯作者大胆设想一种基因生成技术:能否借助基因组的研究,来培养一种可以生长甲虫中的蜂窝-小柱或其他特殊结构的基因组;将其置于蛋白或其它高分子溶液中,利用它们来生成所需的目标结构,或许这只是一个梦想;但愿未来的科学技术能使这一梦想成真,为仿生学的应用开辟一条崭新的通道。

3结束语
综上所述,就甲虫前翅内部结构而言,左右前翅结合部分是一种非常巧妙的凹凸啮合结构;前翅为典型的轻量型三合板结构,其中的小柱结构更是增强上层或下层复合材料层间抗剥离性能的天然杰作;甲虫前翅的表面结构具有减阻、集水、物理显色等特异功能;这些已经发现的甲虫前翅中的结构,经过漫长历史进化,确实是一种很好的仿生对象。

可以预言有关甲虫前翅的仿生研究将不断深化,最终可将其中的许多研究成果应用于实际,并造福于人类;期望未来的科学技术能使通过基因组来生成所需要目标结构的梦想成真,结构仿生学中仿生结构制作的难题就迎刃而解,这种先驱性的仿生手法将谱写仿生学应用新的篇章。

致谢:本文得到南京航空航天大学的戴振东教授和浙江理工大学的郑晶晶老师的帮助,在此致以衷心感谢。

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#复合材料学报。