Волоски повысили износостойкость пчелиных брюшек

Китайские инженеры выяснили роль волосков на поверхности пчелиного брюшка — оказалось, что они снижают контакт между брюшными пластинками, тем самым понижая трение между ними. Это позволяет пчелам совершать телескопические движения брюшком с экономией 40 процентов энергии на силе трения. Для теоретического описания поверхности брюшка ученые разработали модель упруго-пластической деформации волосатых поверхностей — волоски выступают в роли упругих амортизаторов. Статья опубликована в журнале Applied Materials & Interfaces.

Пчелы при своем движении телескопически вытягивают свое брюшко с помощью складчатой межсегментной мембраны. Уже известно, что для снижения трения поверхность их тела покрыта воском, выделяющимся из желез. Однако не только густая смазка помогает справляться с нежелательным трением. Вдохновляясь работами, посвященными структуре поверхности жуков, ученые уже получили покрытия со структурно сниженным трением. Такие покрытия помогут при разработке материалов, при эксплуатации которых сухого трения не избежать (например, в вакуумных установках).

Минъюэ Ван (Mingyue Wang) с коллегами из Пекинского института технологий и университета Цинхуа изучил волоски на поверхности пчелиных брюшек. В качестве объектов наблюдения ученые выбрали несколько пчел из местной лаборатории. Для того чтобы пронаблюдать движение брюшных сегментов, ученые закрепили голову и грудь пчелы. За один цикл сгибания брюшка длина пятого сегмента изменялась с 385 до 1004 микрометров, при этом среднее расстояние между пятым и шестым сегментом менялось в промежутке 0–600 микрометров, что подтверждает высокую вероятность трения, если бы у пчел не было для этого специального механизма.

После естественной смерти пчелы ученые отсекли брюшко от остального тела. Они были промыты в растворе фосфатного буфера при обработке ультразвуком, чтобы смыть остатки пыли и пыльцы. Затем брюшки дополнительно промывали и обезвоживали с помощью этанола, после чего они были подвергнуты десикации и покрыты слоем золота для возможности съемки электронным микроскопом. В ходе съемки удалось установить размеры волосков: в длину — 100-200 микрометров, а в толщину до 6 микрометров. При этом волоски ветвились от 10 до 30 раз, а плотность волосков на поверхности оказалась равной приблизительно 150 волосков на квадратный миллиметр.

Для определения силы трения ученые провели эксперимент с помощью атомного силового микроскопа. К зонду крепился квадратный образец спинки пчелы, а в качестве поверхности трения была выбрана волосатая поверхность и контрольная гладкая поверхность. В общем случае при одинаковой нагрузке трение по волосатой поверхности оказалось меньше, чем по гладкой поверхности.

Чтобы установить, как волоски снижают трение, ученые рассмотрели механическую модель. Контакт между сегментом брюшка и плоской поверхностью является пластичным, тогда как с волосатой поверхностью упруго-пластичным. К тому же, исходя из карты контактов, контакт с гладкой поверхностью имеется по всей плоскости, а с волосатой поверхностью — только по срезу волосков. При расчете стало ясно, что вклад пластических деформаций на волосатой поверхности оказался ниже, чем с плоской поверхностью — то есть волоски выступают в качестве упругих амортизаторов.

Для того чтобы оценить энергию, сохраняемую при снижении трения, инженеры рассчитали среднюю силу трения в 6 сегментах, а также оценили количество интервалов сокращения за 18 дней (~622 тысячи сокращений брюшка). С ростом нагрузки выигрыш по энергии между волосатой и гладкой поверхностью только увеличивается. При пчелиных нагрузках волоски помогают сократить трение на 40 процентов и сохранить 0.69 миллиджоуля. Ученые надеются, что нанесение упругих микроволосков на поверхности мягких устройств позволит повысить их износостойкость.

Микроволоски могут не только снижать трение между поверхностями, но и увеличивать адгезию за счет Ван-дер-Ваальсового взаимодействия. Этим пользуются гекконы и перенимающие опыт инженеры, создающие на подобных эффектах более цепкие актуаторы.

Артем Моськин