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清华大学机械系田煜课题组在生物表面/界面力学研究领域取得新进展

2016年12月08日 14:43:14 来源: tsinghua.edu.cn 作者: 字号:TT

机械系田煜课题组在生物表面-界面力学研究领域取得新进展

机械系田煜课题组在生物表面/界面力学研究领域取得新进展

很多人都曾经见过,在夏季的池塘或湖泊的水面上,有一种身体轻盈,腿细长的小昆虫,可以自由地在水面上停留、快速滑行和跳跃,它们的学名叫水黾。在科学家眼里,它们小小的身体在水面的自由活动,背后有着值得探索的科学原理。

国际上已有多个研究组对水黾的漂浮原理开展了深入细致的研究,大家普遍都认同由于水黾的腿具有超疏水特性,根据改进的阿基米德定律,水黾腿排开水的重量等于其所受的浮力,从而能够浮在水面上,研究者们还计算并离体测量了水黾腿上的浮力和压水深度之间的关系等。虽然漂浮原理已经比较清楚,但是此前的研究还没有实现过将一只水黾的体重与其各条腿上的浮力之和进行对比,即还没有实现过对其六条腿上的微牛量级大小浮力的同步测量。

在国家自然科学基金项目(项目编号:51425502和51323006)资助下,清华大学田煜教授课题组提出通过阴影法,在线测量了作用在水黾及水蜘蛛等水上行走昆虫多条腿上的浮力。该方法主要是考虑到,光照射到由水黾腿压成的弯曲水面上时在空气/水界面发生折射,不同位置的光线由弯曲水面折射到水底后可形成带有亮边的阴影。受此启发,在实验室环境下,用点光源在水黾和水面的正上方照射,拍摄得到容器底部的水黾腿阴影,通过阴影形状反算出弯曲水面的三维形状,就可以计算出水黾腿排开水的体积,从而计算出腿受到的浮力。利用这种阴影法能够同步在线测量多个水黾多个腿上的微小力。将用阴影法测得的力与电子天平称量的水黾重量进行对比分析,其误差小于5%。

研究还发现,作用在水黾腿上的浮力与腿的阴影面积成近似的线性关系,力的测量分辨率可以达到nN~pN/pixel。阴影方法用于在线分析测量水黾和其它水上行走昆虫(如水蜘蛛、水蝽等)各个腿上的受力情况,可为仿生微型水上行走机器人的设计制造提供实验基础。研究中还将这一测量原理拓展用于微小表面力的测量,用简单的漂浮圆盘实验装置得到了接触时间对头发丝与高分子有机硅化合物(Polydimethylsiloxane)表面间的粘附力的影响规律。另外,阴影法测量微小力是一种简单、方便的测量水上漂浮物浮力的方法。一部手机、一个手电筒、一个玻璃或塑料容器、一张白纸及一杯清水就能实现这种测量。这为中小学生理解液体表面张力相关的自然现象与规律提供了简单方便的实验方法。

相关研究成果分别以“基于阿基米德原理的阴影法测量作用在水上行走昆虫腿上的微小力”和“水黾腿与水界面弯液面的三维结构”为题发表在学术期刊Langmuir 2016, 32, 10522–10528和Applied Physics Letters 2016, 109, 163701(封面文章和推荐文章)上。这一研究成果被美国物理学会(AIP)、美国化学学会(ACS)进行了专题报道,随后被美国科学促进会(AAAS)、美国每日科学(Science Daily)和世界科技研究新闻资讯网等多家著名科技新闻杂志或科技网站报道和转载。

[责任编辑:刘宇宏]
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