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果蝇毛爪垫及其与不同粗糙表面间粘附力的研究

作　者: 印霞
导　师: 潘宁；于伟东
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织产品设计
关键词: 果蝇 粘附机理 范德华力 表面粗糙度
分类号: Q811
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


自然界的“适者生存”及长期演化,造就了动物各种各样的特殊本领。从某种程度上讲,人类在很多方面不如动物。于是,仿生成为现代科技发展及人类进步的必然。如昆虫复眼、荷叶自清洁效应、鲨鱼耐沙冲蚀性等等,各种仿生学领域话题层出不穷。人类一直在这条路上不断探索自然、突破自我,以图生物的这些特异功能造福于人类本身。壁虎、蚱蜢、苍蝇、甲虫等生物,具有超强的爬行能力。它们不仅能够在水平的表面运动自如,在垂直的表面,甚至倒挂在天花板上也能实现快速移动。如此非凡的脚底功夫,显然是“大自然的杰作”。是什么赋予其脚爪这般特殊强大的功能?人们在对壁虎的研究中,发现其四只爪垫都布满着从微米到纳米尺度的纤毛,进一步研究表明,这数以亿计的纤毛与接触表面间存在的范德华力是实现壁虎脚非凡粘附的主要机理。而且,有文献报道,壁虎在不同的粗糙表面上具有不同的粘附能力。而对于蝇类、甲虫等昆虫是否也是如此,相对来说研究较少。已有报道它们也具有同样该类纤毛爪垫,但除了范德华力之外,是否还其他粘附机理发挥作用,至今仍存在争议。于是,该类昆虫的粘附能力及真正的粘附机理还需进一步研究和探讨。本文意在以该类昆虫作为研究对象,通过测量其在不同粗糙表面上的粘附力,探索表面粗糙度对其粘附能力的影响,同时对粘附机理做进一步探讨。本文选择果蝇作为主要实验对象,通过扫描电子显微镜观察其爪垫微结构,并与苍蝇爪垫进行了比较,结果发现果蝇的爪垫也覆盖了类似的纤状刚毛,其爪垫不同于苍蝇的椭圆形状,而呈现树枝状结构;爪垫面积比苍蝇小,只有苍蝇爪垫的1/200;一个爪垫上刚毛的根数,果蝇只有约35根远小于苍蝇;果蝇爪垫上的单根刚毛长8-10μm、细度为0.8-1.0μm,较苍蝇的刚毛短粗;刚毛头端的圆板状结构面积果蝇大于苍蝇,分别为5.65-6.28μm2、0.6-1.5μm2。本文采用原子力显微镜对不同粗糙度的抛光纸表面进行了粗糙度分析,研究结果表明抛光纸的表面粗糙度随着表面颗粒的增大而总体呈增长趋势,其表征参数均方根粗糙度RMS、偏距平均绝对值粗糙度Ra、峰值粗糙度Rmax值三者呈现很好的线性相关性,通过最小二乘法得到回归方程,它们俩俩之间的拟合相关系数R分别为RRMS-Ra=0.9996,RRMS-Rmax=0.9830,RRa-Rmax=0.9782。同时,本文还自主设计了立体盒、离心间接测力和杠杆精确测力三种方法,制作了三个小装置,实现了活体果蝇在不同粗糙面上粘附力的测量,研究结果基本一致且表明果蝇在RMS值大于140nm的较高粗糙度的表面上,粘附能力较好;在RMS值小于140nm范围内,表面粗糙度越低,粘附能力越好;在两者之间一个很小的区域,即RMS值在120nm左右范围内,会出现粘附力低谷,分析原因在于同爪垫与粗糙面间的实际接触面积密切相关。最后对可能的粘附机理进行了分析,理论计算了最大范德华力为0.0933-0.1167 mN、最大吸盘引力为0.2373-0.2637mN,由于该最大值,都小于实测最大粘附力值0.2764mN,近而表明,果蝇不同于壁虎,范德华力和吸盘作用力都不可能是其粘附的唯一作用机理,为将来粘附机理的进一步研究提供了一定的依据。

全文目录


ABSTRACT  5-8
摘要  8-10
BIOGRAPHICAL SKETCH  10-11
ACKNOWLEDGMENTS  11-15
CHAPTER ONE:INTRODUCTION AND OBJECTIVE  15-20
  1.1 Introduction  15-17
    1.1.1 Background and Significance  15-17
    1.1.2 Problems  17
  1.2 Objective and main researches  17-20
    1.2.1 Objective  17-18
    1.2.2 Main researches  18-20
CHAPTER TWO:LITERATURE REVIEW AND EVALUATION  20-50
  2.1 Smooth pads  20-24
    2.1.1 Material structure  20-21
    2.1.2 Fluid transport  21
    2.1.3 Frictional anisotropy  21-22
    2.1.4 Study on adhesion mechanism  22-24
  2.2 Hairy pads  24-38
    2.2.1 Correlative study on flies  24-33
    2.2.2 Correlative study on geckos  33-38
  2.3 Discussion on geometry factors  38-41
    2.3.1 "Contact splitting" effect  38-39
    2.3.2 Contact shape factors  39-40
    2.3.3 Influence of surface roughness  40-41
    2.3.4 Contact perimeter factor  41
  2.4 Artificial fabrication of the gecko foot-hairs  41-45
  2.5 Evaluation and Analysis  45-48
  2.6 Chapter Summary  48-50
CHAPTER THREE:EXPERIMENTS  50-69
  3.1 Materials  50-53
    3.1.1 Drosophila melanogaster  50-51
    3.1.2 Flies  51
    3.1.3 Polishing papers  51-53
  3.2 SEM for Microstructure of insects  53-54
    3.2.1 Equipment:SEM(Scan Electronic Microscope)  53
    3.2.2 Sample Preparation for drosophila melanogaster  53-54
    3.2.3 Sample Preparation for flies  54
  3.3 AFM for surface profile of polishing papers  54-55
    3.3.1 Equipment:AFM(Atomic Force Microscope)  54-55
    3.3.2 Sample Preparation for Polishing papers  55
  3.4 Measurement of adhesive force generated by drosophila melanogaster  55-67
    3.4.1 Cubic glass box experiment  55-57
    3.4.2 Centrifugal force testing device realized by cylinder rotation  57-61
    3.4.3 Self-designed lever-like testing equipment  61-67
  3.5 Chapter Summary  67-69
CHAPTER FOUR:RESULTS AND DISCUSSION  69-101
  4.1 SEM Results  69-77
    4.1.1 SEM photographs of flies  69-73
    4.1.2 SEM photographs of drosophila melanogaster  73-76
    4.1.3 Micro-structure comparison of flies and drosophila melanogaster  76-77
  4.2 AFM Results  77-87
    4.2.1 Surface photographs of polishing paper by camera  77-79
    4.2.2 Surface profile of polishing paper by AFM  79-87
  4.3 Measurement results of adhesive force generated by drosophila  87-96
    4.3.1 Results of cubic glass box experiment  87-88
    4.3.2 Results of centrifugal force testing device  88-91
    4.3.3 Results of self-designed lever-like testing equipment  91-96
  4.5 Possible mechanism analysis for adhesive force generated by drosophila  96-98
  4.6 Chapter Summary  98-101
CHAPTER FIVE:CONCLUSION  101-105
REFERENCES  105-111
PUBLICATIONS  111

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中图分类: > 生物科学 > 生物工程学（生物技术） > 仿生学
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