这些蛇挺好看啊,还自带blingbling的七彩防伪镭射!

不但外貌酷炫,还是蛇类中的物理学家,它们就是营穴居生活蛇类。

生活在不见天日的地洞中,却有七彩炫光的鳞片

根据栖息环境的不同,蛇的种类大致可以分为四类:穴居生活、地面生活、树栖生活、水中生活[1]。大多数蛇类都进行地面生活。目前,属于穴居生活的蛇多是一些比较原始和低等的中小型蛇类,它们会长时间生活在复杂的地下环境中,只有晚上或阴暗天气到地面上来活动。由于它们昼伏夜出行踪神秘,人们对它们的了解较少,穴居生活蛇类对人类来说仍然十分神秘。

由于适应穴居生活的结果,它们解剖构造的特点是:头小,头骨联结牢固;口小,口前方略为突出,眼不发达;尾短;腹鳞没有分化或不发达。例如:盲蛇、脊蛇、闪鳞蛇、彩虹盾尾蛇等[3-5]。由于它们常年“行走“于暗无天日的地下,多数穴居蛇鳞片的底色为黑色或深棕色。

然而,很多营穴居蛇的鳞片能够在一定角度的光线照射下显现出夺目的七彩金属光泽。

那么问题来了,为什么明明是生活在无光环境中的蛇类,却都不约而同的生长出了五彩斑斓的鳞片呢?有什么用处呢?我们发现了其中的奥秘。

透过现象看本质:背后还是结构色

颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应,我们肉眼所见到的光线,是由频率范围很窄的电磁波产生的,不同频率的电磁波表现为不同的颜色,对色彩的辨认是肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经的感觉。

结构色(structural colour),又称物理色(physical colour),是一种由光的波长引发的光泽。是由于生物体壁上有极薄的蜡层、刻点、沟缝或鳞片等细微结构,使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色。结构色的本质是结构而不是颜色,具有相似结构色的表面可能具有完全不同的结构。为了探究营穴居蛇类鳞片结构色的本质,需要细致观察其真实的微观结构。

我们选取了具有营穴居生活习性的脊蛇作为研究对象。通过光镜观察可以发现,脊蛇鳞片表面在一定角度的光照下表现出五彩的结构色现象。

脊蛇鳞片表面的结构色只有与光线成一定角度后才能显现出来

我们利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对脊蛇多处鳞片角质层的微结构进行观察。图像显示,脊蛇头部、背部、腹部和尾部的鳞片角质层表面均呈现出独特的微凹槽结构,这些密密麻麻的微小凹槽,具有相似尺寸,沿着脊蛇的爬行方向呈纵向规则排列,这种微结构阵列表面的宏观表现就是前文提到的结构色现象。那么这种结构的实际作用是什么呢?真的只是为了好看吗?

原子力显微镜下的脊蛇鳞片表面形貌

原来,是为了减小摩擦啊

我们通过仿生设计制造出了具有相似结构的表面进行验证。

考虑到脊蛇的生活环境和对环境的适应能力,我们推测这种结构可能具有在泥土中减阻的作用。通过超快激光加工等仿生制造技术,我们制造出了类似的微结构阵列图案(AITPS),该阵列的微凹槽结构组成的网格状表面具有和脊蛇角质层表面结构相似的比例。其中,我们重点关注了该结构的长、宽、深度和壁厚尺寸,这对于理解固固界面的摩擦性能具有重要意义。

仿脊蛇鳞片表面微结构阵列的设计过程

我们在摩擦试验机上分别选用光滑钢球和粘土对其摩擦性能进行测试。结果显示,相对平面来说,AITPS对光滑钢球和粘土的摩擦系数分别减小了40%和25%,体现出了AITPS的优异减阻性能。以上通过对穴居蛇类在地下的一种运动场景的模拟,证明了这种鳞片表面的微结构是有助于它们运动生活的。

为了探究脊蛇鳞片表面微结构更深层次的减摩机理,我们分别对微结构的长宽、深度、壁厚以及它们的比例进行调控,最终得出的结论就是:减摩的关键是减少接触。

包括脊蛇在内的大部分穴居生物,都具有减少身体直接接触泥土的功能,例如:蚯蚓和泥鳅会在体表分泌粘液实现润滑,蜣螂体表会长出微凸起实现减黏[6-8]。脊蛇的这种微凹槽阵列排列十分密集,从而形成了非常薄的网格状的凸起薄壁,这种微纳米级别的凸起薄壁实现了与泥土之间最少的接触,从而实现了在泥土中的高效减阻。