为啥它们成了洞中最靓的仔？

BLINGBLING的~赵家辉

陈勤

中科院物理所

2022-11-12 11:42:20

转⾃公众号：科学⼤院

http://mp.weixin.qq.com/s?

__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247547267&idx=1&sn=860934d76d3746d1c1bf96b281c618bc

正⽂共2575字，预计阅读时间约为7分钟

也可点击本篇推⽂⾳频，⽤⽿朵聆听知识~

温馨提示：本⽂涉及的蛇类实物图，均已做隐藏处理，严重恐蛇的读者可以放⼼点开阅读哦～

今天⽂章的主⻆，还是很“酷炫”的：

（林晓倩绘）

像素低时我⻓这样

↑

实际上我⻓这样

↓

↑闪鳞蛇、海南闪鳞蛇郭峻峰拍摄

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。⽣活在不⻅天⽇的地洞中，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，它们会⻓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，头⻣联结牢固；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⻆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，却都不约⽽同的⽣⻓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，我们⾁眼所⻅到的光线，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)，是⼀种由光的波⻓引发的光泽。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⻆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⻆度后才能显现出来

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⻆质层的微结构进⾏观察。图像显示，脊蛇头部、背部、腹部和尾部的鳞⽚⻆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⻆质层表⾯结构相似的⽐例。其中，我们重点关注了该结构的⻓、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⻓宽、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，蜣螂体表会⻓出微凸起实现减黏[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。

新的思路

该研究带给我们的启示是，在材料性能确定的情况下，尤其是针对⾼分⼦弹性材料，想要通过结构设计达到减摩效果的最直接办法就是尽量减少两界⾯之间的有效接触⾯积，其中仿脊蛇鳞⽚表⾯微结构阵列设计是⼀种有效的减摩设计⽅法。

那么，如果想要实现两界⾯之间的增摩或增黏，是不是需要增⼤它们之间的有效接触⾯积呢？这个问题为仿⽣摩擦学的研究打开了新的思路。

作者单位：南京航空航天⼤学中国科学院成都⽣物研究所中国科学院成都分院

策划：⽑萍张轶佳

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所⽴场

如需转载请联系原公众号

来源：科学⼤院

参考⽂献：

[1]徐晋佑等编著．毒蛇养殖技术：⼴东科技出版社，2001.05：16-22.

[2]刘新⺠主编．中华医学百科⼤辞海内科学第3卷：军事医学科学出版社，2008.10：1076-1081.

[3]Huang R Y, Peng L F, Yu L, Huang T Q, Jiang K, Ding L, Chang J K, Yang D C, Xu Y H, Huang S. A New Species of the Genus Achalinus from Huangshan, Anhui, China (Squamata: Xenodermidae). Asian Herpetol Res 12(2): 178–187(2021)

[4]Yamasaki Y, Mori Y. Seasonal Activity Pattern of a Nocturnal Fossorial Snake, Achalinus spinalis (Serpentes: Xenodermidae). Current Herpetol 36(1): 28–36(2017)

[5]Povel D, Kooij J V D. Scale Sensillae of The File Snake (Serpentes: Acrochordidae) and Some Other Aquatic and Burrowing Snakes. Neth J Zool 47(4): 443–456(1997)

[6]Zhao H X, Sun Q Q, Deng X, Cui J X. Earthworm-Inspired Rough Polymer Coatings with Self-Replenishing Lubrication for Adaptive Friction-Reduction and Antifouling Surfaces. Adv Mater 30(29): 1802141(2018)

[7]Seo E, Park J, Gil J E, Lim H, Lee D, Lee S J. Multifunctional biopolymer coatings inspired by loach skin. Prog Org Coat 158: 106383(2021)

[8]Tong J, Sun J Y, Chen D H, Zhang S J. Geometrical features and wettability of dung beetles and potential biomimetic engineering applications in tillage implements. Soil Till Res 80(1-2): 1–12(2005)编辑：*0近期热⻔⽂章Top10↓点击标题即可查看↓1. 零基础诺奖科普：⻉尔不等式被推翻，信息就能超光速传递了吗？

2. 历经1935960⼩时，我们破解了⾃⾏⻋平衡的奥秘3. 为什么周末躺⼀天，却⽐平常还累？4. 数学应该是⼀⻔科学……吧？（上）5. 洗澡、运动后身上痒，到底是不是脂肪在燃烧？！6. 降维打击的⿊究竟有多⿊？7. “我让AI帮我写论⽂，还拿了个A”8. 万圣节还在cos传统⻤怪？来看看物理版的“妖魔⻤怪”！9. ⽇光灯会把⼈晒⿊吗？什么光会晒⿊⼈？ | No.32810. 来！相信光！

点此查看以往全部热⻔⽂章阅读原⽂