麻省理工学院的工程师展示了毛茸茸的舌头如何帮助蝙蝠喝水

动物已经进化出各种适应方式，以获取所需的营养。对于用花蜜喂食的蝙蝠，长长的鼻子和舌头可以让它们在空中盘旋时浸入和浸出花朵。为了帮助这一事业，他们的舌头被细小的头发覆盖着，充当微型汤匙，sc起并拖动美味的汁液。

现在，麻省理工学院的工程师发现，对于蝙蝠和其他毛茸茸的花蜜喂食器而言，有效饮水的关键在于舌头上的毛发间距，液体的厚度和“回缩速度”之间的微妙平衡。 或动物以多快的速度向后吐舌头以吸吮花蜜。当所有这三个参数保持平衡时，大量的花蜜就会到达动物的嘴巴，而不会带走。

碰巧的是，其他被毛茸茸的花蜜喂食器（如蜜蜂和蜂蜜负鼠）也是如此，研究人员发现它们也表现出最佳的“粘液夹带”，这是指毛发表面可能从浴液中吸出的液体量。 。

麻省理工学院数学系的前任老师皮埃尔·托马斯·布伦说：“有很多不同的动物饮水技术，我们认为饮酒时的正常现象实际上是一种单一的饮酒方式。”“我们希望我们的理论能够解释这种有毛饮酒方法的主要趋势机理，并且我们相信我们已经合理化了这种奇特的饮酒技术。”

现在是普林斯顿大学助理教授的布伦（Brun）与麻省理工学院机械工程系的研究生爱丽丝·纳斯托（Alice Nasto）和麻省理工学院机械工程学教授兼工程副院长安妮特·“佩科”·霍索伊（Anette“ Peko” Hosoi）在麻省理工学院进行了此项最新工作。麻省理工学院。研究人员今天在《物理评论流体》（Physical Review Fluids）杂志上发表了基于数学建模和实验室实验相结合的研究结果。

从海狸到蝙蝠

Hosoi实验室一直是流体不断通过毛状表面流动的方式。在2016年，该团队制造了散布有细小的聚合物毛发的聚合物片材，并研究了这些人造毛皮如何在将其插入各种液体的浴池中时捕获空气囊。他们的研究结果揭示了海狸如何在通入水中时如何使用类似的毛皮来保暖。这项工作还启发了用头发覆盖的潜水衣来保持游泳者干爽和保暖的想法。

“一旦制作了这些表面，我们就会想，‘我们有一个很棒的系统，可以在该系统上进行流体实验–可以建模的还有什么？”内斯托（Nasto）说。

在寻找下一个项目时，内斯托（Nasto）接受了布朗大学（Brown University）研究人员的一项研究，她拍摄了蝙蝠从花中喝花蜜的高速视频。在对视频进行分析之后，他们发现，当动物的舌头浸入花中或从花中浸出时，其舌毛上的细小血管被血液充血，促使毛发笔直站立并从花蜜中拉出更多的花蜜。花。

纳斯托说：“他们的研究着眼于这种饮酒行为的生理学，但并没有过多地研究这种花蜜采集的流体力学。”“所以我们认为，这就是我们的专长所在，我们可以尝试加深对此的理解。”

预测倾角造成的滴落

为此，Nasto和她的同事进行了实验，以模拟蝙蝠的浸舌。他们制造了类似舌头的长条状聚合物材料，上面衬有3毫米高的小毛发，其尺寸与实际的蝙蝠相似。每个条覆盖有以不同密度间隔开的毛发。研究人员将试条浸入硅油浴中，拍摄实验的高速视频，然后测量将试条拉回时排出的液体量。

他们开发了一个数学模型来描述表面上的毛发尺寸，该表面浸入和浸出浴池的速度以及浴池的特性之间的关系。

作为指导，他们研究了Landau-Levich-Derjaguin或LLD理论-一种数学方程式，通常用于表征浸涂，尤其是浸入后在平坦表面上留下的薄膜厚度液体浴。布伦开发了一种新模型，该模型包括了多毛表面的影响，他预计该模型会比完全平坦的表面产生更厚的液体薄膜。

“我们假设'舌头'最初充满液体，并模拟了这种液体流回浴池需要多少时间，” Brun解释说。

在他的新模型中，Brun还包括某些参数，例如头发的高度和间距，然后在某种意义上颠倒了理论，以预测从表面排出的流体量，而不是剩余的流体量。

研究小组发现，该模型以合理的准确度预测了研究人员在实验中测得的液体排放量。

为了进一步测试该模型，Nasto设计了一个简单的实验单元，该单元由两块玻璃板组成，两块玻璃板以不同的距离夹在中间。平板之间的空间类似于毛发之间的空间，两块平板之间的流动类似于两根相邻毛发之间的流动。流体排出的速率。她用不同间距的细胞和不同粘度的流体重复了该实验。结果也与该团队的新模型所预测的相符。

纳斯托说：“实验使我们确信，我们提出的理论是理解排水速度与头发间距之间关系的一种好方法。”

自然高

研究人员将注意力转向大自然，看他们的模型是否可以预测其他毛茸茸的花蜜摄食器的饮水行为。纳斯托梳理了动物生理学论文，发现了另外两个表现出相似饮酒行为的物种：蜜蜂，以及原产于澳大利亚的老鼠样有袋动物，称为蜂蜜负鼠。

研究小组收集了这两个物种以及蝙蝠的数据，包括它们舌头上的毛发大小，它们的进食速度以及它们喜欢的花蜜的类型。他们将所有这些信息都插入了他们的模型中，发现这三个物种都能够高效地吸引花蜜，而又不会让很多东西流失。

“它们都接近理论上的最优值，”纳斯托说。“他们已经发展成为好喝酒的人。而且，如果您考虑一下，人类可以使用饮酒和其他行为的工具。但是许多其他动物必须将其工具内置到其生理中。”

这项研究得到了美国陆军研究办公室的部分支持。

出版物：Alice Nasto1等人，“多毛表面上的粘性夹带”，Physical Review Fluids，2018年； doi：10.1103 / PhysRevFluids.3.024002