再来研究个鸟：羽毛上的神奇“粘扣”

一根小小的羽毛，藏着许多有趣的秘密。加州大学圣地亚哥分校Marc A. Meyers教授课题组一直致力于鸟类羽毛结构的研究。不久前，他们在Adv. Sci.上发表研究论文，揭示了鸟类羽杆中的多级结构如何实现轻质负重性能（点击阅读相关）。这一次，他们将目光转向羽毛上的羽小支（barbule）。羽小支是羽杆两侧平行排列的细小的羽毛，在鸟类的飞行过程中，它们能够捕获空气以获得浮力；受到损伤时，鸟类通过整羽可使损失得到修复。在这项研究中，Meyers教授课题组揭示了羽小支结构如何实现可逆粘附，并且如何在飞行中捕获空气以获得浮力。相关论文发表在Adv. Funct. Mater. 上。

羽毛、羽支（barb）、羽小支的微观结构。图片来源：Adv. Funct. Mater.

在这项研究中，Meyer教授团队发现，羽小支中存在着“钩”与“槽”两种结构，二者通过互相咬合实现紧密连接，其中“槽”形羽小支与主干的夹角较小且长度较长，因此在平行拉动的过程中具有更大的作用力矩及近轴转动。在拉动的过程中，“钩”形羽小支在“槽”形羽小支里移动，并且在达到极限时清脆的分离，而在鸟类整羽的时候这种结构又可以重建。

羽小支分离与整羽过程。图片来源：Adv. Funct. Mater.

为了研究羽毛的微结构对这种可逆粘附性能的影响，研究者仿造羽小支结构制备了具有不同厚度、形状以及末端结构的羽小支。结果发现，具有较厚的根部结构、矩形并且具有较长的末端弯曲结构的“钩”形羽小支具有最大的粘附力。实验也发现，更为刚性的羽小支结构有利于在飞行过程中承载更多力。

他们还研究了三种不同鸟类（鸽子、鹈鹕和珍珠鸡）的翅膀羽毛在风下的受力情况。实验结果表明，三种鸟类中珍珠鸡的羽毛受力情况受羽小支咬合情况的影响最大，而鸽子则受影响最小。同时，珍珠鸡的羽毛更易弯曲，羽毛受到的拖拽力较小，而鸽子和鹈鹕则较大，这也说明了为何鸽子和鹈鹕主要是通过飞行来移动，而珍珠鸡则以跑动和偶尔的飞行作为主要的移动方式。

羽毛中的气流调节功能。图片来源：Adv. Funct. Mater.

除了通过羽小支的咬合结构来捕获空气，羽小支中薄的重叠的膜状侧瓣结构也可以起到“气流阀门”一样的调节作用。当空气来自于腹侧时，这些侧瓣“关闭”从而捕获空气为羽毛提供阻力；当空气来自于背侧时则表现为“打开”的状态。这使得鸟类在飞行过程中能够更加自如的调节飞行状态。

大自然中各种精致的设计为人类的研究提供无穷的灵感，如何将这些知识转化到实际应用中去也将是研究者们要面对的更为重要的课题。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Reversible Attachment with Tailored Permeability: The Feather Vane and Bioinspired Designs

Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702954

（本文由YHC供稿）