每(mei)当(dang)看到鸟(niao)儿(er)(er)穿梭树林,雄鹰(ying)翱翔天空(kong),你在(zai)想什么?你是(shi)否曾(ceng)经想象自(zi)己像鸟(niao)儿(er)(er)一样(yang),摆(bai)脱重力的束缚,在(zai)天空(kong)中(zhong)寻找自(zi)由的海洋(yang)?那么,问(wen)题来了,为什么鸟(niao)儿(er)(er)可以(yi)飞翔?其实,幼儿(er)(er)园的小朋友都(dou)知道(dao),那是(shi)因为鸟(niao)儿(er)(er)有(you)翅膀(bang)。鸟(niao)儿(er)(er)翅膀(bang)是(shi)由羽毛组成的,但(dan)是(shi)什么造就了其长时间飞行,抵御风吹雨淋,甚至丛(cong)林钩挂的能力呢?

 鸟儿翱翔天空(图片来自网络) 鸟儿翱翔天空(图片来自网络)

  孩童时期,我(wo)们曾玩弄羽毛,将其拉(la)开,还可以让它恢复如初。

  如下图(tu)(tu)(tu)(tu)所演示的(de)(de),当我们用一只手(shou)(shou)(shou)固定羽(yu)(yu)(yu)(yu)杆,另一只手(shou)(shou)(shou)沿(yan)羽(yu)(yu)(yu)(yu)尖向(xiang)(xiang)羽(yu)(yu)(yu)(yu)根方(fang)向(xiang)(xiang)拉(la)(la)扯羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)时,羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)会被(bei)拉(la)(la)伸(图(tu)(tu)(tu)(tu)A),并在某个瞬间沿(yan)叶脉方(fang)向(xiang)(xiang)被(bei)拉(la)(la)开(图(tu)(tu)(tu)(tu)B,红(hong)(hong)色箭头)。用手(shou)(shou)(shou)指轻轻地沿(yan)羽(yu)(yu)(yu)(yu)根到羽(yu)(yu)(yu)(yu)尖方(fang)向(xiang)(xiang)捋顺羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao),可以(yi)将其(qi)分(fen)开的(de)(de)地方(fang)修(xiu)复(图(tu)(tu)(tu)(tu)C,红(hong)(hong)线)。更(geng)为不(bu)可思议的(de)(de)是(shi),当再次拉(la)(la)扯羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)时(图(tu)(tu)(tu)(tu)D),羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)会从另一个位置被(bei)分(fen)开,而(er)不(bu)是(shi)之前(qian)的(de)(de)红(hong)(hong)线的(de)(de)地方(fang)(图(tu)(tu)(tu)(tu)E,蓝色箭头)。而(er)分(fen)开的(de)(de)羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)也可像前(qian)面(mian)一样被(bei)修(xiu)复(图(tu)(tu)(tu)(tu)F,蓝线)。并且,这(zhei)个分(fen)离(li)和修(xiu)复的(de)(de)过程可以(yi)重复很多次,表明羽(yu)(yu)(yu)(yu)毛(mao)具有优异(yi)和稳定的(de)(de)自修(xiu)性能。

手动演示羽毛的分开和修复手动演示羽毛的分开和修复

  我们(men)都知道结(jie)(jie)构(gou)决(jue)定(ding)性质,因此对于毛结(jie)(jie)构(gou)的探索从未止(zhi)步(bu)。早在(zai)17世纪中期,英国博(bo)物学家罗伯(bo)特•胡(hu)克就利用显(xian)微镜观察了(le)鸟类羽毛的翅膀,并初步(bu)描绘(hui)出了(le)羽毛的结(jie)(jie)构(gou)模型图(tu)(精细结(jie)(jie)构(gou)未能观察到)。自此,人(ren)们(men)对羽毛的微观形貌有了(le)初步(bu)了(le)解。

  随着(zhe)显微技术的(de)(de)发展(zhan),电(dian)子(zi)显微镜的(de)(de)出现使得更(geng)多更(geng)小(xiao)(xiao)的(de)(de)微观(guan)结构(gou)(gou)显露在人们眼(yan)前。人们总(zong)结出,羽(yu)(yu)毛是由两(liang)侧(ce)(ce)平行的(de)(de)羽(yu)(yu)枝(zhi)组成,而(er)羽(yu)(yu)枝(zhi)两(liang)侧(ce)(ce)平行排布着(zhe)不同结构(gou)(gou)的(de)(de)羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)。朝向羽(yu)(yu)毛尖端的(de)(de)羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)具有很多钩子(zi)(每个羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)有4-5个钩子(zi))从(cong)其中部(bu)向腹(fu)侧(ce)(ce)伸出,被称(cheng)为带钩羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(hook barbule)。羽(yu)(yu)枝(zhi)另一侧(ce)(ce)的(de)(de)羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)具有边缘卷曲(qu)的(de)(de)片状结构(gou)(gou),被称(cheng)为滑(hua)道羽(yu)(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(bow barbule)。基于(yu)此,人们提出了“钩子(zi)-滑(hua)槽(cao)(hook-groove)”结构(gou)(gou)模型,用以解(jie)释羽(yu)(yu)毛的(de)(de)自修能力(li)。

 Hooke描绘的羽毛模型图Hooke描绘的羽毛模型图

  R.Hooke (1665) Micrographia, or, Some Physiological Descriptions of Minute BodiesMade by Magnifying Glasses with Observations and Inquiries Thereupon (The RoyalSociety, London)

羽毛结构模型的进一步完善羽毛结构模型的进一步完善

  但其实,目前人们提(ti)出的(de)“钩(gou)子-滑(hua)槽”模(mo)型忽略了羽(yu)(yu)(yu)毛的(de)精细结(jie)(jie)构(gou),并不能很好(hao)地解释羽(yu)(yu)(yu)毛的(de)抗撕裂和(he)(he)超耐久性。近日,中(zhong)科(ke)院理化所仿(fang)生材料与(yu)界面(mian)科(ke)学实验室王树涛研究团队利用(yong)X-射(she)线显微(wei)镜和(he)(he)显微(wei)操作系统(tong),对羽(yu)(yu)(yu)毛的(de)精细三(san)维结(jie)(jie)构(gou)及其功能进行(xing)了观察,发(fa)现了羽(yu)(yu)(yu)毛的(de)羽(yu)(yu)(yu)枝间的(de)一种(zhong)新型机械互锁体系:级(ji)联(lian)滑(hua)锁系统(tong)(由(you)钩(gou)子,滑(hua)道(dao)和(he)(he)滑(hua)道(dao)端部的(de)级(ji)联(lian)背刺组成),并阐明了级(ji)联(lian)滑(hua)锁结(jie)(jie)构(gou)的(de)工作原理,成功揭(jie)示了羽(yu)(yu)(yu)毛抗撕裂能力和(he)(he)超耐久性的(de)秘密(Repairable cascaded slide-lock system endows bird feathers with tear-resistance and superdurability, PNAS 2018, DOI: 10.1073/pnas.1808293115)。这种(zhong)级(ji)联(lian)滑(hua)锁结(jie)(jie)构(gou)不仅(jin)保证(zheng)了羽(yu)(yu)(yu)枝间较强的(de)粘附力,同时保护了羽(yu)(yu)(yu)枝在(zai)分离过程中(zhong)不受到损坏。

  实验(yan)测试表(biao)明,羽毛具(ju)有很(hen)好(hao)的(de)(de)拉(la)伸性(xing)(xing)能(neng);并且经过1000次的(de)(de)分(fen)开/修复实验(yan),羽枝间的(de)(de)粘(zhan)附力(li)仍(reng)能(neng)达到初始值的(de)(de)80%以上。由此说明,这种结(jie)构促成(cheng)了鸟类羽毛的(de)(de)抗撕裂能(neng)力(li)和超耐久性(xing)(xing)能(neng),使得(de)鸟类能(neng)够(gou)在恶劣的(de)(de)环境中飞行。同时,这种级联(lian)滑锁结(jie)构为(wei)新(xin)型柔性(xing)(xing)织物和电子器件的(de)(de)设(she)计(ji)制(zhi)备(bei)提供了新(xin)的(de)(de)思路。

利用X射线显微镜观察并重构的羽毛的原位立体结构利用X射线显微镜观察并重构的羽毛的原位立体结构

  羽小(xiao)枝(zhi)的(de)精细结(jie)构。(A, B)单个(ge)(ge)(ge)羽枝(zhi)的(de)背(bei)侧(A)和(he)腹侧(B)结(jie)构。(C, D)每个(ge)(ge)(ge)带钩(gou)羽小(xiao)枝(zhi)具有四个(ge)(ge)(ge)从其中部(bu)(bu)伸出的(de)下垂向(xiang)后(hou)的(de)钩(gou)子(zi)。(E, F)滑道羽小(xiao)枝(zhi)边缘(yuan)卷曲,卷曲的(de)的(de)边缘(yuan)在其端部(bu)(bu)转变为4-5个(ge)(ge)(ge)曲面三角形(xing)(xing)状(zhuang)的(de)刺状(zhuang)结(jie)构,称为背(bei)刺。(G, H)钩(gou)子(zi)和(he)背(bei)刺具有匹(pi)配的(de)尺(chi)寸(cun)和(he)形(xing)(xing)状(zhuang)。

  羽(yu)毛的(de)(de)(de)级联滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)锁系(xi)统的(de)(de)(de)简(jian)化功能模(mo)型:当受到外(wai)(wai)力(li)(li)(li)(li)时,钩(gou)(gou)子的(de)(de)(de)带状部(bu)分(fen)被拉(la)直(zhi),钩(gou)(gou)子勾在滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)卷曲(qu)(qu)(qu)(qu)边缘上(shang)(shang)(图i)。随着外(wai)(wai)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)(de)逐渐(jian)增(zeng)大,钩(gou)(gou)子以卷曲(qu)(qu)(qu)(qu)边缘为滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao),往(wang)端(duan)(duan)部(bu)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)动(dong),并(bing)且羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)也逐渐(jian)弯曲(qu)(qu)(qu)(qu)变(bian)(bian)形(图ii)。当力(li)(li)(li)(li)逐渐(jian)增(zeng)大,羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)弯曲(qu)(qu)(qu)(qu)程(cheng)(cheng)(cheng)度(du)达到一定值(zhi)时,钩(gou)(gou)子滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)到滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)端(duan)(duan)部(bu)的(de)(de)(de)背(bei)(bei)刺位(wei)置并(bing)与(yu)背(bei)(bei)刺形成互锁结构(图iii)。由于背(bei)(bei)刺改变(bian)(bian)了滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)(de)(de)方(fang)向,阻(zu)碍了钩(gou)(gou)子因继续滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)动(dong)而(er)从(cong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)上(shang)(shang)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)离(li)(li)。若想钩(gou)(gou)子从(cong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)上(shang)(shang)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)离(li)(li),则(ze)(ze)需要增(zeng)加(jia)外(wai)(wai)拉(la)力(li)(li)(li)(li),使得带钩(gou)(gou)羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)和(he)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)羽(yu)小(xiao)(xiao)枝(zhi)(zhi)继续弯曲(qu)(qu)(qu)(qu)变(bian)(bian)形,当弯曲(qu)(qu)(qu)(qu)程(cheng)(cheng)(cheng)度(du)超过某(mou)个阈(yu)值(zhi)时,钩(gou)(gou)子和(he)背(bei)(bei)刺的(de)(de)(de)互锁结构被打(da)开,钩(gou)(gou)子从(cong)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)上(shang)(shang)滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)离(li)(li)或(huo)勾在后面的(de)(de)(de)背(bei)(bei)刺上(shang)(shang)重复这个过程(cheng)(cheng)(cheng),直(zhi)至离(li)(li)开(图iv-vi)。如果在钩(gou)(gou)子离(li)(li)开滑(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)道(dao)(dao)(dao)(dao)之前,外(wai)(wai)力(li)(li)(li)(li)消失,钩(gou)(gou)子则(ze)(ze)会由于羽(yu)枝(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)回弹(dan)力(li)(li)(li)(li)回到接近初始位(wei)置(图v-i)。

  至此,羽(yu)毛的精细结(jie)构已(yi)被清楚阐述,级联(lian)滑锁(suo)结(jie)构模型也被提出(chu),并合(he)理解释(shi)了羽(yu)毛的抗撕裂能(neng)力和(he)超耐久性。这(zhei)种级联(lian)滑锁(suo)结(jie)构模型为(wei)进(jin)一(yi)步人造(zao)羽(yu)毛的制备提供(gong)了新思路,使人们的飞翔梦想更进(jin)一(yi)步。