汉总大等 水黾的身体构造原理 主讲人：曾家雄 2018年4月 上海充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
水黾的身体构造原理 主讲人：曾家雄 2018年4月
目录Contents 引言 2 水黾腿部结构 3 水黾运动机理 ⑧ 上海充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
1 引言 2 水黾腿部结构 3 水黾运动机理
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 引言 斤n ·水黾是水上活动的“蚂蚁”，它能携带比自身中15倍的东西在水面上滑 行而不会沉入水中。同时水黾能够在水面上灵活的滑行，最大速度可达 1.5m/s。水黾能够在水面上轻松地漂浮和滑行运动，这与水黾结构息息 相关。本次演讲我将会针对水黾的身体构造原理进行分析。第一部分， 水黾腿部结构，第二部分，水黾运动肌理
▪ 水黾是水上活动的“蚂蚁”，它能携带比自身中15倍的东西在水面上滑 行而不会沉入水中。同时水黾能够在水面上灵活的滑行，最大速度可达 1.5m/s。水黾能够在水面上轻松地漂浮和滑行运动，这与水黾结构息息 相关。本次演讲我将会针对水黾的身体构造原理进行分析。第一部分， 水黾腿部结构，第二部分，水黾运动肌理。 引言
上海文通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 2.1水黾的尺寸结构及腿关节 ·水黾长有6条腿，前后4条腿分别为前支撑腿和后支撑腿，主要是支撑水黾浮在 水面上。 ·中间2条腿为驱动腿，主要用来划水从而实现水黾在水面上运动，如图2-1所示。 【前支撑腿 驱动臉 11 后支撑腿 a)水黾生物图 b)水黾的结构尺寸 图2-1水黾生物
2.1水黾的尺寸结构及腿关节 ‧ 水黾长有6条腿，前后4条腿分别为前支撑腿和后支撑腿，主要是支撑水黾浮在 水面上。 ‧ 中间2条腿为驱动腿，主要用来划水从而实现水黾在水面上运动，如图2-1所示
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 2.1水黾的尺寸结构及腿关节 ·水黾腿属于单肢型附肢，如图2-2所示。附肢由一列肢节组成，这列肢节从基部 到末端依次称为：基节、转节、股节、胫节、跗节、前跗节。基节与体壁连接指 向复侧，实现前后摆动。转节与基节连接，实现在一个水平面上前后运动。股节 能够实现背腹运动。胫节端部的运动，趋向于朝着和背着肢体中线的方向。跗节 和前跗节的关节连接，使运动与胫节的运动处在同一平面上。 胫节 股节 基节 股节 跗节 胫节 前跗节 转节 跗背 a)单肢型附肢 b)水黾腿关节 图2-2水黾腿关节模型
2.1水黾的尺寸结构及腿关节 ・水黾腿属于单肢型附肢，如图2-2所示。附肢由一列肢节组成，这列肢节从基部 到末端依次称为：基节、转节、股节、胫节、跗节、前跗节。基节与体壁连接指 向复侧，实现前后摆动。转节与基节连接，实现在一个水平面上前后运动。股节 能够实现背腹运动。胫节端部的运动，趋向于朝着和背着肢体中线的方向。跗节 和前跗节的关节连接，使运动与胫节的运动处在同一平面上
上海疚通大鼻 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 2.2水黾腿的表面结构 ian ·為了研究水黾腿部的表面結構，利用高分貝率透射電鏡對水黾的腿部結構進行 掃描分別將腿部放大到200倍，1000倍，5000倍，20000倍鏡行拍照，如圖2-3所示。 智 L a)放大200倍 b)放大1000倍 c)放大5000倍 d)放大20000倍 图2-3水黾腿部结构的电镜扫描照片
2.2水黾腿的表面结构 ・為了研究水黾腿部的表面結構，利用高分貝率透射電鏡對水黾的腿部結構進行 掃描分別將腿部放大到200倍，1000倍，5000倍，20000倍鏡行拍照，如圖2-3所示
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 2.2水黾腿的表面结构 从图a)和图b)可以看出，水黾腿部是 由无数的微细刚毛组成；图c)和图d) 是对微细刚毛进行了放大，可以清晰 看出微细刚毛的表层是由沟槽结构构 智 直证 成。水黾腿部表面有数千根按照同一 a)放大200倍 b)放大1000倍 方向排列得多层微米尺寸的针状刚毛， 直径变化范围从几百纳米到3微米，每 根刚毛长度约为50微米。这些刚毛与 腿的表面形成20度的倾角排列，并在 c)放大5000倍 d)放大20000倍 腿的表面形成螺旋状纳米结构的沟槽。 图2-3水黾腿部结构的电镜扫描照片
2.2水黾腿的表面结构 ・从图a) 和图b) 可以看出，水黾腿部是 由无数的微细刚毛组成；图c) 和图d) 是对微细刚毛进行了放大，可以清晰 看出微细刚毛的表层是由沟槽结构构 成。水黾腿部表面有数千根按照同一 方向排列得多层微米尺寸的针状刚毛， 直径变化范围从几百纳米到3微米，每 根刚毛长度约为50微米。这些刚毛与 腿的表面形成20度的倾角排列，并在 腿的表面形成螺旋状纳米结构的沟槽
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 3.1水黾漂浮状态分析 ·水黾是水生昆虫，主要是在水面上活动， 当水黾静止在水面上且不沉入水中时， 这种状态称之为水黾的漂浮状态。水黾 与水面接触 漂浮在水面上时，空气就会吸附在刚毛 6) 沟槽的空隙上，形成一层稳定的气膜， 水分子就不能够侵入到腿部表面的空隙 里面，只能压在腿部表面上，同时在空 隙上就形成空气压力腔，所以水黾腿可 d) 以压在水面上而不会扎入水里，并能够 图2-4水黾腿的弹簧性能 保证水黾在水面上稳定的漂浮，使得水 黾具有超疏水特性
3.1水黾漂浮状态分析 ・水黾是水生昆虫，主要是在水面上活动， 当水黾静止在水面上且不沉入水中时， 这种状态称之为水黾的漂浮状态。水黾 漂浮在水面上时，空气就会吸附在刚毛 沟槽的空隙上，形成一层稳定的气膜， 水分子就不能够侵入到腿部表面的空隙 里面，只能压在腿部表面上，同时在空 隙上就形成空气压力腔，所以水黾腿可 以压在水面上而不会扎入水里，并能够 保证水黾在水面上稳定的漂浮，使得水 黾具有超疏水特性
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 3.2水黾滑行状态分析 当水黾在水面上低速运动时，这种运动状态称之为滑行状态。这种状态下水黾腿不会侵 入水中，运动产生的波纹较小，便于水黾在水面上进行捕食和躲避活动。 水黾在水面上的滑行运动方式有直线滑行和转向滑行，如图2-5所示。当向前直线滑行 运动时，水黾的前后四条腿保持与水面接触，左右两条驱动腿按相同的运动规律前后划 动，这样就能保证水黾平稳的向前运动；当转向运动时，如向左转向运动，水黾的左驱 动腿和前后四条支撑腿均保持不动，右驱动腿进行划水，这样就实现了水黾的向左转弯 运动。 a)向前直线滑行运动 b)向左转向滑行运动 图2-5水黾的滑行运动方式
3.2水黾滑行状态分析 ‧ 当水黾在水面上低速运动时，这种运动状态称之为滑行状态。这种状态下水黾腿不会侵 入水中，运动产生的波纹较小，便于水黾在水面上进行捕食和躲避活动。 ‧ 水黾在水面上的滑行运动方式有直线滑行和转向滑行，如图2-5所示。当向前直线滑行 运动时，水黾的前后四条腿保持与水面接触，左右两条驱动腿按相同的运动规律前后划 动，这样就能保证水黾平稳的向前运动；当转向运动时，如向左转向运动，水黾的左驱 动腿和前后四条支撑腿均保持不动，右驱动腿进行划水，这样就实现了水黾的向左转弯 运动
上海疚通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 3.2水黾滑水方式 ·水黾要实现各种滑行运动，其驱动腿需要在水面上划水，从而推动水黾在水面上运动。 美国麻省理工学院的数学家约翰布什教授的研究小组利用高速摄像机对水黾拍摄并做了 粒子跟踪研究实验，研究发现水黾主要是利用其多刚毛的驱动腿在水中制造出螺旋状的 漩涡，借助半球状漩涡的推动力，驱动腿以椭圆的轨迹滑动来实现运动，如图2-6所示。 28 图2-6水黾腿的运动轨迹示意图
3.2水黾滑水方式 ‧ 水黾要实现各种滑行运动，其驱动腿需要在水面上划水，从而推动水黾在水面上运动。 美国麻省理工学院的数学家约翰布什教授的研究小组利用高速摄像机对水黾拍摄并做了 粒子跟踪研究实验，研究发现水黾主要是利用其多刚毛的驱动腿在水中制造出螺旋状的 漩涡，借助半球状漩涡的推动力，驱动腿以椭圆的轨迹滑动来实现运动，如图2-6所示