水鳥進食非吮吸，Science說是吧唧嘴——水鳥啄食的毛細棘輪效應

強迫癥患者想吐槽看不懂標題，好吧，本次小強強想要跟大家探討的是【水鳥啄食的表面張力運輸：毛細棘輪效應】。

Whither, midst falling dew,
While glow the heavens with the last steps of day,
Far, through their rosy depths, dost thou pursue
Thy solitary way?

身披漫天墜落的露珠，
追逐在夕陽殘照中間，
你形單影只往哪里去？
掠過那玫瑰色的云端。

這是《致水鳥》開篇幾句，漢語部分是七個隆冬小強強胡亂翻譯的，因為網上找不到滿意的譯文，歡迎大家留言賜教撒。詩人叫布萊恩特，是美國第一個浪漫主義詩人。愛默生曾經盛贊他“是布萊恩特第一個，也是唯一的一個，向世人展示了我國的北方景色——夏日的盛裝、秋天的斑斑褐色以及隆冬的明與暗。”愛默生是誰？你這話在美國怕是要遭白眼的，愛默生是確立美國文化精神的代表人物，被林肯總統稱為“美國文明之父”。啥？聽不懂？！孔子在中國什么樣，愛默生在美國就什么樣。獻上我萌萌噠嫌棄小眼神，【嫌棄】。

怎么今天提到水鳥了？這個問題問的好，可是我不準備回答你，就不！(整理一下發型)。說，最近和小伙伴聊天，聊到了《鳥瞰地球》，（我舉8支手推薦大家去看看），然后小強強就突然想到了水鳥啄食的棘輪效應，我也覺得有寫一點東西的必要了。有人說過，“再拉風的人，也得靠嘴吃飯”（我不會告訴你是我說的）。不同鳥兒有不同的嘴，其捕食策略自然各不相同。今天要為大家介紹的，是一種涉及到表面張力的捕食機理----棘輪效應。順便說一嘴，你知道棘輪扳手為什么叫棘輪扳手嗎？很簡單啊，因為它是用棘輪結構原理制造的扳手。

你以為棘輪都長這樣——

來源：百度圖片

其實，棘輪還可以長這樣——

來源：百度圖片

或者這樣——

來源：百度圖片

雖然看起來都是五花八門，但是同一個物種就有同一種“DNA”，棘輪效應的“DNA”就是使往復運動改變為單向運動。騎自行車，腳蹬可正轉亦可反轉，但是“寶馬”總是向前看。蛇左右擺動，卻是向前運動。這些都可以叫做棘輪效應。來，再跟我讀一遍：棘輪效應的DNA就是使往復運動改變為單向運動。以后有機會再和大家細說。

《孫子》曰：知己知彼，百戰不殆。既然研究的是水鳥進食，那總得對水鳥有一定了解吧，怎么也得對水鳥吃飯的家伙----喙有一定了解吧。子曰：有圖有真相，沒圖別說話。啥？孔子沒說過？那就算我說的好了（我不會告訴你那就是我自己說的）。

來源：Manu Prakash et al. science, 2008, 320(5878): 931-934.

看看這修長的優雅的性感的鳥喙，像不像一根吸管被調皮地咬平，然后把兩邊割開？通常我們用的吸管都是空心圓柱體，或者用化學語言來說，就是單壁碳納米管形狀的。可想而知，水鳥想用一個兩邊開口的吸管來吸食，那是不靠譜的。不信，你試試。最簡單的，請把嘴角咧到最大，然后喝水，喝不進去吧。那么，水鳥確實靠這個家伙什吃飯啊，這究竟是怎么一回事呢？

水鳥也是懂科學的好不啦，人家不是靠吸的，人家靠的是吧唧嘴，就是頻繁的張嘴閉嘴，這樣呢，就能使水沿著鳥喙乖乖跑到肚子里去。看，往復運動變成了單向運動，賭圣出場背景音樂響起，棘！輪！效！應！

好了，現在大家知道了，棘輪效應是對水鳥進食的高度概括，可是它究竟是怎么個機理，怎么個細節處理過程呢？看官墨跡，七個隆冬小強強還沒說完呢。大家都知道有一個很重要的科學研究方法叫做建立理想化模型。

2008年science文章《水鳥啄食的表面張力運輸：毛細棘輪效應》的作者，就建立了一個模型，將完全潤濕的橄欖油液滴置于楔形槽開口處，從而發現幾個如下的“真理”：

1，液滴朝著楔形槽頂點移動。這說明什么？這說明液滴也是有追求有信仰的，一心向著太陽、向著光明、向著真理（我上去就是一個大嘴巴，疼。。。）。

2，越靠近楔形槽頂點，橄欖油移動速度越快。

3，如果將楔形槽的張角變大，則橄欖油移動速度變快。如下圖，A為兩塊板夾液滴示意圖，就問你像不像腦袋被門板夾到了。B中液滴為橄欖油，完全潤濕，θ1=θ2=0。請看下圖A，1，那個標注兩個角θ1和θ2的灰色區域即為液滴，滴兩側頁面明顯是不對稱的，這種不對稱會產生壓力差，驅動液滴向楔形槽頂端移動。還是下圖A，當x>L時，液滴移動速度 u~αγ/η。當u~αγL/ηx 。2，兩種情況下，u都和α成正比，所以，α越大，u越大，即張角越大，移動速度越快。3，當x>L時，u和L及x無關，即速度恒定；當x<L時，隨著液滴向楔形槽頂端移動，L/x增大，則u增大，即液滴速度增大。

來源：Manu Prakash et al. science, 2008, 320(5878): 931-934.

理想模型，永遠是理想模型，若要解決實際問題，必須具體問題具體分析，對理想模型做出必要修正。橄欖油是完全潤濕的，但水鳥的食物營養液是部分潤濕，因此并不會在表面張力作用下自發移動。下面祭出我們的神器，毛細棘輪效應（賭神出場背景音樂）。

給出水鳥鳥喙閉合和張開循環的示意圖，如下，1中A到B為閉合，B到C過渡，C到D為張開。2中是兩個坐標系縱軸堆放在一起形成的。橫坐標均為時間，很容易看出來是3個周期（即鳥喙閉合3次，張開3次）。下邊的坐標系縱軸是張開角；上邊坐標系縱軸是鳥喙尖端到接觸線的距離，上邊坐標系中，紅色小圓圈為前進接觸線，綠色小三角為后退接觸線。先看2中下側坐標系，可明顯看到張開角由最大減少到最小，再到最大，再到最小......，即是鳥喙閉合、張開、閉合、張開、閉合、張開過程，3個循環。結合1，2的上側坐標系，可看出，在閉合的時候，主要是前進接觸線大幅前進，表現為向鳥嘴方向移動；在張開時候，主要是后退接觸線大幅后撤，表現為向鳥嘴方向移動。請注意，前進接觸線向鳥嘴前進為正方向，后退接觸角向背離鳥嘴前進為正方向。

來源：Manu Prakash et al. science, 2008, 320(5878): 931-934.

這里邊其實還有更深層次的機理，那說起來可不簡單，牽扯到3種情況，以后有機會再詳細和大家論述撒。孔子教導我們“話不能說的太細”，我們要聽孔子的，阿門。

參考文獻：
1 Prakash M, Quéré D, Bush J W M. Surface tension transport of prey by feeding shorebirds: the capillary ratchet[J]. science, 2008, 320(5878): 931-934.
2 江雷. 仿生智能納米材料[M]. 科學出版社, 2015.

本文為《仿生智能與納米材料》讀書筆記系列第三篇，由材料牛編輯小強提供。如需轉載請郵件至editor@cailiaoren.com，點我加入編輯部。