蜜蜂作為典型的食蜜昆蟲，是自然界中最重要的傳粉者之一，每年能帶給人類巨大的生態與經濟價值。相比其他的食蜜昆蟲，蜜蜂具有顯著的高粘度花蜜攝取能力以及優越的環境適應能力。近期，中山大學航空航天學院吳志剛教授和吳嘉寧副教授課題組揭示了蜜蜂飲蜜口器的材料與表面特性，以及其對結構整體柔度的影響。論文發表于ACS Applied Materials & Interfaces（《ACS應用材料與界面》）。

圖 采集花蜜的蜜蜂和中唇舌疏水的剛毛

蜜蜂采集花蜜的主要器官是位于蜜蜂口器中央的中唇舌。這個結構具有多環節的特征，且每一環節上都密布了用來蘸取粘性液體的剛毛。研究發現，中唇舌表面的剛毛是高度疏水的（接觸角近150°）。這一結果一開始讓研究人員感到非常意外，疏水的器官表面是如何蘸取花蜜的呢？通過冷凍電子顯微鏡觀測，作者發現自然狀態下的蜜蜂中唇舌表面有一層液體薄膜（應是口器內部的唾液腺分泌的唾液）。液膜的存在便能使得中唇舌保持穩定的可潤濕狀態，從而成功地接觸并捕獲外界的液體食物，所以蜜蜂蘸取花蜜的過程不會收到影響。

圖 中唇舌自然狀態下的冷凍電鏡照片

在自然環境下，蜜蜂可以通過獲取花蜜、汁液、果汁或鹽水等補充自身的養分，這意味著它的舌頭必須能夠與各種各樣的外界環境相互作用，比如狹窄的花朵開口、粗糙的樹皮、形狀不規則的腐爛果實和潮濕的土壤。然而，由于植物分泌的具有養分的液體食物在自然競爭中總是處于少量的（比如液體裝或液膜狀），蜜蜂細長的中唇舌結構不可能全部蘸取到液體食物，而總會有一部分暴露在空氣中。這一部分的剛毛由于暴露在空氣環境中容易收到表面張力的作用被黏附在舌頭表面。

圖 蜜蜂在不同環境上的攝食

作者通過原子力顯微鏡的測試發現，蜜蜂中唇舌的剛毛剛度（彈性模量~1GPa）遠大于環節的剛度（彈性模量~5MPa）。雖然堅硬的剛毛將有助于在液體環境中的展開蘸取，以及防止在運動過程中和外界產生的摩擦損耗，但是在空氣環境中黏附在舌頭表面的剛毛就像一幅盔甲一樣限制了內部若軟的環節結構，將極大的限制了結構整體的靈活性。

圖 原子力顯微鏡測得的中唇舌剛毛的彈性模量

作者通過高速視頻觀測和原子力顯微鏡證實，蜜蜂剛毛的疏水性將能較大程度地降低舌頭表面的液膜對剛毛的粘附力，所以在結構的整體彎曲過程中，剛毛能夠有效地從舌頭表面脫附并展開，讓柔軟的環節承擔中唇舌的變形。大大提高了結構整體的柔順性。

圖 疏水的剛毛有助于在舌頭表面順利展開，提高舌頭的靈活性

作者最后還通過有限元計算，對這一過程進行建模演示。

圖 有限元計算模擬了疏水剛毛和親水剛毛兩種情況下舌頭的柔性

該研究以蜜蜂中唇舌為例，向人們展示了機構表面微結構的親疏水特性對結構整體的靈活性的影響，并且可以啟發復雜的新材料的設計，例如粘性微流體的柔性轉運系統。

相關論文信息:

Jiangkun Wei（魏蔣坤）, Yingqi Liang（梁穎琪）, Xingdi Chen（陳星迪）, Stanislav N. Gorb, Zhigang Wu（吳志剛）, Huizeng Li（李會增）, and Jianing Wu（吳嘉寧）, Enhanced Flexibility of the Segmented Honey Bee Tongue with Hydrophobic Tongue Hairs, ACS Applied Materials & Interfaces, 2022

https://doi.org/10.1021/acsami.2c00431