“举手 晃动 一起来 Naughty Bounce”
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“每天都在天上飞”
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不知道你们最近有没有被“洗脑”
但想上天的要求比较高
学海无涯苦作舟赋予了我眼前的凹透镜
做飞行员是不行了
长翅膀又比较难不可能
正在苦恼的时候
我看到了这幅图——
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诶 ， 蜗牛还可以在水里这样爬？
那 ， 起飞太难 ， 要不研究研究水上漂（爬）？
说不定我就可以了！
【水上漂|在？“天上飞”不如“轻功水上漂”？】靠浪前行的蜗大师
这幅图中 ， 水生蜗牛完成了一个看起来几乎不可能的运动——它拖着自己穿过一个实际上抓不住的流体表面 。 水生蜗牛是怎么将水面转变为可以有效提供“立足点”的表面呢？
回想一下陆生蜗牛是怎么运动的呢？蜗牛：我走路不靠脚 ， 靠浪 。
蜗牛足部的强健肌体像波浪般地移动着 ， 能使蜗牛缓慢地向前移动 。
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蜗牛能够像波浪一般移动的秘诀就在于粘液：粘液具有粘性 ， 如果压力超过一定水平 ， 就会像液体一样流动 。
当蜗牛的“脚”压在粘液的痕迹上面时 ， 粘液为脚的某些部位提供了粘性抓地力 ， 同时润滑其他部位的运动 。
陆生蜗牛运动机制的核心是坚固的表面 ， 如果没有坚固的表面 ， 蜗牛则难以附着在上面 。 那么 ， 水生蜗牛是如何在水面上“为所欲为”的呢？
首先 ， 水生蜗牛的壳可以捕获一部分空气 ， 使得它可以大致浮在水面处 。
可以理解为蜗牛的壳成为了蜗牛在水中的浮板或者游泳圈 。
那水生蜗牛还分泌粘液吗？同陆生蜗牛一样 ， 水生蜗牛也会分泌粘液 。
蜗牛的“脚”和水面之间存在一个黏液层 。 在运动过程中 ， 蜗牛的“脚”会主动皱成毫米级的波纹状 ， 这会导致在“脚”和空气之间分泌的粘液层中产生相应的波纹 。
最后 ， 蜗牛是怎么动起来的呢？
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在地面上蠕动前进的陆生蜗牛
粘液层受到“脚”的影响发生形变 ， 同样也受到表面张力的限制 ， 粘液层的表面形变并不能与蜗牛“脚”的波纹状完全相同——部分粘液层被挤压 ， 部分被拉伸 ， 产生一个压力差 ， 推动脚向前 。
看来像蜗牛一样水上漂（爬）也很难啊 ， 别的女孩子的wave鸾回凤翥 ， 我的wave像违规钻栏杆 。
水上漂就没有别的办法了么？我不信！公园湖里那么多水黾 ， 它们又是怎么“水上漂”的？
划水王者水黾
比起蜗牛 ， 水黾的运动方式似乎和我们更相近了吧？如果我瘦成一道闪电 ， 能不能也在水上漂？
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蜗牛靠自带的“游泳圈”贴近水面 ， 水黾是怎么“站”在水面上而不会沉下去的呢？
构成液体的水分子之间存在相互作用力 ， 需要消耗较大的能量才能形成新的气水界面 ， 纯水的表面能约为0.07 J/m2 。
液体内部的分子所受到的各个方向的作用力相对平衡 ， 但对液体表面的分子而言 ， 缺少了来自上方液体的作用力 ， 就会在内部液体的“牵拉”下 ， “绷紧”表面 ， 形成张力 ， 即表面张力 。
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水黾能够克服重力“站”在水面上 ， 与表面张力是密不可分的 。 首先 ， 水黾腿部末端细长 ， 在水面上可以获得较大的毛细管力（capillary tension） 。
水黾腿上有疏水的油质细毛 ， 可以为水上滑行提供保障 。
当疏水物体被压入空气和水的界面时 ， 水会尽量减少它与物体的接触 ， 这种情况下 ， 通常会形成新的表面 。
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水黾脚部处的水面形成了凹坑 | 图片来源[2]
因此 ， 当水黾将它的疏水细毛压在水面上时 ， 水面上就会形成一个凹坑 ， 空气-水界面面积变大 。
由此产生的毛细管力的垂直分量与重力相抵消 ， 使得水黾被支撑起来 。
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水黾在水面的受力示意图 | 图片来源[2]
但在我们的常识中 ， 似乎只有比较小的动物才能够在水面上被支撑起来 ， 这是由于受到了什么限制呢？
撑起水黾的毛细管力——与接触液体的腿的周长成正比 ， 因此大致上与生物的线性尺寸成比例 。 而动物的体重与其体积成正比 ， 近似与其线性尺寸的立方成正比 。
简单来说 ， 毛细管力随着动物线性尺寸成正比增加 ， 而体重随着动物线性尺寸成立方关系增加 。
换句话说 ， 随着体型的增加 ， 动物沉进水里的倾向比被支撑起来的倾向增加要快得多 。
因此 ， 站在水面上是小型动物的独家绝学 。 那么 ， 水黾这一类动物在水面上运动的驱动力从何而来呢？
水黾细长的腿在滑动时 ， 会在水面上形成表面波和较浅的“凹坑”——半球形的偶极涡旋 。 这些涡旋会与水黾呈相反方向运动 ， 速度大约为4 cm/s 。
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漩涡与水黾的运动方向相反 | 图片来源[2]
将涡旋近似为半球形 ， 得到水黾两条腿造成涡旋的动量大约为10-5 kg·m/s ， 对于水黾 ， 其重量为10-5 kg ， 以1 m/s的速度运动 ， 动量同样为10-5 kg·m/s 。
实际上 ， 水黾这种“划船运动”是相当高效的 。 当质量为Mi的昆虫以U的速度前进时 ， 其身体的动能是动物运动的有效能量（‘useful’ energy） 。 当水黾在水面上身体加速的过程中 ， 水黾也会耗费的一定的能量（‘wasted’ energy） 。
由上可知 ， 水黾的运动效率为：
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代入数值后得到的运动效率可以达到96%！
这说明水黾利用涡旋推动大量的水低速度后退 ， 轻松的创造了大量的动量 。
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原来水黾才是真正的“划水”高手啊 ， 凭借高达96%的“划水效率”把我远远甩在了身后 ， 没想到最终 ， 我连“划水”都输了 。
研究这么半天…我好像确实没有机会“水上漂”了 。 毕竟我没有粘液 ， 没有壳 ， 尺寸也远远超过了站在水面的极限…
虽然这些运动机制我们用不上 ， 但是可以发展出多种多样的仿生学应用 。
比如根据蜗牛腹足腺粘液开发的蛋白复合胶；仿生水黾机器人 ， 可以有效的帮我们进行自然科学研究和军事侦察；受到水黾腿部疏水结构的启发 ， 可以制备人工设计的超疏水表面 ， 等等 。
所以…我还是继续“举手 晃动 一起来 Naughty Bounce ， 每天都在天上飞”吧…
参考资料
[1]https://www.nature.com/articles/news.2008.915#article-info
[2]Denny, M. W . Paradox lost: answers and questions about walking on water.[J]. Journal of Experimental Biology, 2004, 207(10):1601-1606.
[3]姚希. 水黾腿特殊浸润现象的研究及材料仿生[D]. 中国科学院大学,2010.
[4]张新彬. 基于表面张力的仿水黾机器人研究[D]. 黑龙江:哈尔滨工业大学,2016.
[5]钟天翼. 蜗牛腹足腺粘液的自组装及丝素/蜗牛粘液蛋白复合胶的研究[D]. 江苏:苏州大学,2018.
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