科学家揭示火蚁用身躯搭建“蚁筏”背后的科学原理

宾汉姆顿大学（Binghamton University）的研究人员正在探索火蚁如何形成浮筏在洪水中生存，目的是将这些生物机制应用到材料科学中。研究小组对这些蚂蚁浮筏的适应性和机械特性进行了研究，发现它们表现出一种独特的"捕捉粘合"行为，能在压力下增强强度。这项研究可能会开发出能在机械应力作用下自我强化的创新材料，有望应用于生物医学植入物和软机器人等多个领域。资料来源：罗伯特-瓦格纳

当洪水侵袭火蚁生活的地区时，火蚁的生存对策是把蚁群螯合在一起，形成一个有浮力的"筏子"，漂浮在水面上，使蚁群团结在一起。把它想象成一种浓缩的、适应性强的材料，其中的构件--单个的蚂蚁--实际上是有生命的。

宾汉姆顿大学助理教授罗布-瓦格纳（Rob Wagner）作为科罗拉多大学博尔德分校弗内里软物质力学实验室（Vernerey Soft Matter Mechanics Lab）的成员领导了这项研究，他们在研究中调查了这些活体筏的适应性反应。研究目标是了解它们如何自主变形和改变机械特性，然后将最简单、最有用的发现融入人造材料中。

他说："生命系统一直让我着迷，因为它们能实现我们目前的工程材料无法实现的东西--甚至差得很远。我们制造大块聚合物系统、金属和陶瓷，但它们都是被动的。这些成分不能像每一个生命系统那样储存能量，然后将能量转化为机械功。"

瓦格纳认为，这种能量的储存和转换对于模仿生命系统的智能和自适应行为至关重要。

在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的论文中，科罗拉多大学的瓦格纳和他的合著者研究了火蚁蚁排在拉伸时对机械负荷的反应，并将这些蚁排的反应与动态自愈聚合物进行了比较。

瓦格纳说："许多聚合物是通过动态键结合在一起的，这些键会断裂，但可以重组。如果拉得足够慢，这些键就有时间重组材料，这样它就不会断裂，而是像孩子们玩的粘液或软冰淇淋一样流动。如果拉得很快，它就会像粉笔一样断裂。由于筏子是由蚂蚁相互粘连在一起的，它们之间的粘结可以断裂，也可以重组。所以，我和我的同事认为它们也会做同样的事情。"

但瓦格纳和他的合作者发现，无论他们以何种速度拉动蚂蚁排，它们的机械反应几乎都是一样的，而且它们从未流动过。瓦格纳推测，蚂蚁在感觉到力的时候会反射性地收紧并延长抓握的时间，因为它们想保持在一起。它们要么减弱，要么关闭动态行为。

测试火蚁筏在拉伸时对机械负荷的反应的实验。资料来源：罗伯特-瓦格纳

这种受力后粘结力增强的现象被称为"捕捉粘结行为"，它很可能会增强蚁群的凝聚力，这对蚁群的生存是有意义的。

"当你用一定的力量拉动典型的粘合剂时，它们会更快松开，寿命也会缩短--你拉动粘合剂，就是在削弱它。这就是你在几乎所有被动系统中看到的情况，"瓦格纳说。"但在生命系统中，由于其复杂性，有时你会发现在一定范围的外力作用下，捕捉到的键能保持更长的时间。有些蛋白质会自动机械地做到这一点，但这并不是蛋白质在做决定。它们只是以这样一种方式排列，当施加外力时，就会显示出这些锁定或'捕捉'的结合位点。"

瓦格纳认为，在工程系统中模仿这些捕捉键，可以制造出在机械应力较大的区域表现出自主、局部自强的人造材料。这可以延长生物医学植入物、粘合剂、纤维复合材料、软机器人组件和许多其他系统的寿命。

像火蚁蚁排这样的昆虫集体聚集体已经在启发研究人员开发具有刺激响应机械特性和行为的材料。今年早些时候发表在《自然-材料》（Nature Materials ）上的一篇论文由德克萨斯农工大学的瓦尔响应生物材料实验室（Ware Responsive Biomaterials Lab）领导，论文作者包括瓦格纳（Wagner）和他的前论文导师弗朗克-J.Vernerey 教授的贡献--该论文展示了由被称为液晶弹性体的特殊凝胶或材料制成的带子如何在加热过程中盘旋，然后相互缠绕，形成类似固体的凝结结构，其灵感正是来自于这些蚂蚁。

瓦格纳说："这项工作的一个自然进展就是回答我们如何才能让这些带子或其他软构件之间的相互作用像火蚁和一些生物分子相互作用那样在负载下'接住'。"

编译来源：ScitechDaily