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不懂物理的吸盘鱼,头顶吸盘的物理性能超过精工制造产品

图片说明:不懂物理的吸盘鱼,头顶吸盘的物理性能超过精工制造产品,。

本文参加百家号#科学了不起#系列征文赛。一群金枪鱼围绕着渔船嬉戏,你垂涎三尺。可惜挥杆数次,没有一次能成功钓上一条。金枪鱼不上钩怎么办?好办,撤掉你的鱼饵,换成新鲜活泼的吸盘鱼试试看。对,就是那条像被人踩到脑袋,后脑勺上顶着一只大鞋印的吸盘鱼。不用鱼钩,用绳子捆牢吸盘鱼的尾巴,放它下水。吸盘鱼趁金枪鱼游过身边时,拿头去蹭它的肚皮,脑袋上的鞋印吸盘一下子就吸到金枪鱼的肚皮上。这时只要收收鱼绳,一条50斤重的金枪鱼就上手了。不用担心会把吸盘鱼从金枪鱼肚皮上扯下来,它的吸力远远超过你的想象,秒杀你家挂毛巾的吸盘挂钩。你把吸盘挂钩按压在瓷砖上,挤出吸盘下面的空气。吸盘内外存在压强差,吸盘被外界空气压紧在墙上,可以承受自身和毛巾的重量。吸盘鱼的吸附原理跟吸盘挂钩类似,吸盘鱼吸住金枪鱼的肚皮,把吸盘下的海水挤出,依靠水压差把吸盘紧紧压实在金枪鱼身上。你懂物理,会利用压力差。吸盘鱼不懂,但它也会利用压力差。看上去没什么稀奇的吸盘原理,吸盘鱼的吸盘却比你的挂钩吸盘要精致得多。你的挂钩只能在光滑干净的表面上使用,而吸盘鱼的吸盘什么表面都能吸附。你的挂钩用过一段时间就失去吸力,而吸盘鱼的吸盘能用一辈子。最最厉害的是,你的吸盘在潮湿环境下就失去了吸力,而吸盘鱼的吸盘不仅在水里,还能在空气里使用,它的吸力比你挂钩的吸力强好几倍。吸盘鱼的吸力为什么那么厉害?我们先看吸盘的结构,再讲它有什么独特的秘密。吸盘是怎么长出来的吸盘鱼的游泳技术很糟糕,但是它巡游过的海域却很广阔。一只吸盘吸附在各种大鱼身上,就能游遍海洋。它还有个名字叫顺风车鱼,鲨鱼,鲸鱼,还有海龟,都是它的旅行车。一旦上车,吃喝不愁,大鱼们吃剩下的残渣就是它的粮食。搭腻一辆车后,下车换另一辆。吸盘鱼的学名叫䲟鱼,成年䲟鱼最大能长到1米长。身材细长的䲟鱼,跟其他鱼最大的区别就是脑袋上顶着的吸盘。上图是吸盘细节,吸盘像一只椭圆的扁盘子,一圈厚厚的结缔组织,像嘴唇一样柔软地包住盘子,这圈厚垫叫做盘唇。盘子里一排排薄板上垂直排列着齿状小刺,薄板像鞋底的纹路一样对称规整。外形奇特的吸盘,却不是鱼儿身上新长出来的组织,而是由鱼鳍变化而来。只是为什么鱼鳍会长到后脑勺上?一块在瑞士出土,3000万年前的化石回答了这个问题。上图是化石上的吸盘鱼,吸盘长在背脊上。古鱼背部鱼鳍的鳍刺扩大,形成一个吸盘。古吸盘比较小,吸盘内组成鞋印的一排排小刺也很稀疏。经过了3000万年的演化,吸盘迁移到脑袋上,吸盘内的纤维小刺结构也变得更加紧密精致。追踪现代吸盘鱼的鱼卵发育过程,可以看到吸盘发育方式跟正常鱼鳍的发育没有什么不同。在成长过程中,吸盘鱼的背鳍会慢慢膨胀,朝着脑袋方向移动。当身长长到3厘米时,背鳍已经完全成型,变成一只2毫米的吸盘。背鳍变成的吸盘,有3大特点,一是吸附牢靠,二是不挑材质,三是快速脱离宿主时不损伤表皮。吸盘能把吸盘鱼牢牢固定在大鱼身上,无论大鱼怎样扭曲身体,翻腾跳跃,都不会被拆散。另外,吸盘不挑吸附材质,粗糙的鲨鱼皮,光滑的海龟壳,黏糊糊的金枪鱼皮,木制的舢板,金属的渔船,吸盘鱼统统都能吸上去。而且吸盘鱼能轻松脱离大鱼身体,不会在大鱼皮肤上留下伤口。更加厉害的是,一旦吸盘吸附到大鱼身上,吸盘鱼就不用再耗费力气再去管它。换句话说,它的吸盘跟你家毛巾吸盘挂钩一样,属于被动型吸附。佐治亚理工学院团队解剖了吸盘鱼,发现吸盘周围是浅色的肌肉组织,说明肌红蛋白的含量很低。如果吸盘鱼需要动用肌肉,主动吸附住大鱼的话,肌肉组织应该呈现出高浓度的肌红蛋白。而低含量的肌红蛋白证明了吸盘属于不费力气的被动型吸附。[百家号-法兰西is培根-未经授权请勿转载其他平台]吸盘的秘密吸盘的盘唇吸附在大鱼身上,盘唇会把吸盘周围密封住。盘内薄板上的小刺与大鱼皮肤之间不停摩擦,高摩擦力增加了吸附能力。被动型吸盘的吸力为什么那么强,而且还不挑材质,哪里都能吸附?你看毛巾挂钩,只有在玻璃和瓷砖的平滑表面上才能吸附牢靠。北航大学团队,破解了盘唇吸附的秘密,它的关键在于:盘唇皮肤的表层和底层之间,多了一层独特的垂直纤维结构。上图是团队拍摄的盘唇微观细节,在皮肤表层下,有一层垂直排列的胶原纤维。垂直纤维层厚度为250~500μm,纤维束的直径为5~15μm,弯曲的纤维束稀疏地排列在中间层。正是这层稀疏弯曲的纤维束,增强了吸盘的吸力。团队测试了吸盘的机械性能,发现吸盘在3个方向(圆周,径向和垂直方向)的拉伸弹性各不相同,垂直方向上的拉伸弹性比水平方向的弹性要大3倍以上。测试数据证明了团队推测:盘唇中间层的卷曲纤维,加大了吸盘的弹性,加强了吸力。也就是说,比起没有纤维层的盘唇,你得花更大的力气才能把它从大鱼肚皮上拽下来。另外,加了纤维层的盘唇,吸附时间更长。如果在你家的吸盘挂钩上,加了这层垂直纤维。挂钩粘贴的时间能多出3倍以上。人造吸盘破解了盘唇秘密的北航团队,模仿盘唇结构,制造了人造吸盘。团队用静电植绒技术,在硅胶上加了一层垂直方向上的尼龙纤维,组成复合材料。加了纤维层的复合材料制作的吸盘,和同样尺寸的普通硅胶吸盘,一同进行水下吸力测试。水下粘附时间,普通吸盘为6分钟,复合吸盘为26分钟,提高340%。在空气中的测试,复合吸盘的粘附力提高62.5%,它能轻松提起280克的排球,而普通吸盘做不到。更加厉害的是,在潮湿环境中,普通吸盘失效,而复合吸盘依然管用。还有,普通吸盘只能在平面上使用,而复合吸盘能提起不规则物体,比如西瓜。下图是复合吸盘在潮湿环境中悬挂西瓜和4公斤的瓶装水。团队计划继续研究复合材料,改善吸盘性能,制造出像吸盘鱼一样强大的吸盘。人工吸盘,也能像搭顺风车的吸盘鱼一样,吸附在鲨鱼或蓝鲸的身上巡游海洋,实时收集海洋和鱼类的信息。只要简单地加一层垂直纤维层,就能成倍改善吸盘的吸力,提高粘附时间,吸附不规则物体。这是不懂物理的吸盘鱼,教会人类的一个独特的结构细节。生活在海洋里,却连游泳都懒得花力气的吸盘鱼,懒惰有懒惰的资本。拥有一只其他鱼儿比不上的吸盘,懒汉鱼便能游遍海洋。自然界一直走在我们的前面,普通的一条鱼,也有远超我们的精工制造。

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