博勒飞 系列之 有趣的蜗牛

蜗牛是一种有趣的小动物,行动缓慢,足下分泌黏液,降低摩擦力以帮助行走,黏液还可以防止蚂蚁等一般昆虫的侵害。蜗牛在爬行时,还会在地上留下一行粘液,这是它体内分泌出的一种液体,即使走在刀刃上也不会有危险。

蜗牛要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多余物,而是既有粘附作用又有润滑作用。

蜗牛的粘液

实验人员将蜗牛的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并不容易。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,它的粘度很大,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,它的粘度就会突然下降,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,而是随时间有一个响应过程,太快或太慢响应都无法适应。

美国博勒飞公司的RST高级流变仪能够很好地表征蜗牛粘液的流变特性(屈服、触变性和蠕变恢复等),为下一步的蜗牛仿生学研究提供坚实的R&D基础。

蜗牛仿生学

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。

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。

美国马萨诸塞理工学院研制成一种蜗牛机器人,它能沿墙壁或天花板爬行。蜗牛机器人由5块刚性板材组成,板材上涂有特殊凝胶体,重量仅为31.6克。研制工程师认为,尽管蜗牛机器人爬行速度非常缓慢,但是这种缓慢运动可以用来解决一系列独特的问题。‍目前蜗牛机器人研制者正在寻找合适的重量与凝胶粘性的比例,这比例能使蜗牛机器人拥有合理的爬行速度。

END

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