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北京大学王建祥教授等研究揭示蜂窝结构机理

发布时间:2020-01-14 19:52:32 阅读: 来源:换热器厂家

天然蜂窝中单个蜂窝孔的几何构型:(A)建造过程中的蜂窝孔;(B)建造好的蜂窝孔,比例尺为2mm近期,北京大学工学院力学系王建祥教授与英国卡迪夫大学工学院(Cardiff University)Bhushan Karihaloo教授、北京理工大学宇航学院张凯博士合作,利用简单的力学模型揭示了天然蜜蜂蜂窝形成六边形结构的机理。该工作已发表在《皇家学会界面杂志》(Journal of the Royal Society Interface),并被《自然》网站、《探索》网站、《生命科学》网站、澳洲广播公司网站、美国《赫芬顿邮报》、《未来》网站等国际媒体广泛报道。

天然蜜蜂蜂窝具有完美的六边形结构,是自然界中最神奇的结构之一,并被证实该六边形结构最大程度地节省了劳力和蜂蜡。古希腊数学家帕普斯(Pappus of Alexandria)在公元四世纪即认识到了六边形结构的经济性,并认为蜜蜂有着“几何上的先见之明”;达尔文曾赞叹天然蜂窝甚至超越了自然选择可以导 致的完美结构;十七世纪丹麦数学家巴托林(Erasmus Bartholin)以及20世纪初苏格兰动物学家汤普生(D"Arcy Thompson)认为六边形来自物理过程。然而,迄今为止,关于蜜蜂如何建造出完美的六边形结构的过程还没有详细的分析和实验观测。

王建祥等研究发现意大利蜜蜂首先建造圆形截面的蜂窝孔而非六边形,其邻近蜂窝孔的空隙清晰可见。这些圆孔堆积成常规的六方阵列。当沿新蜂窝孔上端切除 0.5mm后,发现蜂窝孔已经呈现出完美的六边形结构,这表明随着蜂窝孔深度的增加,蜂窝孔逐渐地由圆形转化成六边形。同时,研究指出,天然蜂窝六边形结 构的形成与液桥导致的最小蜂窝孔表面能有关。蜂房中蜜蜂的胸部温度可以超过40摄氏度。在该温度下,蜂蜡将变成无定形的塑性状态, 使得在相邻孔的孔壁接触点处形成弯面液桥,进而在该液桥的作用下在孔壁内产生拉应力,使得蜂窝孔形成圆角六边形。随着时间的增加,蜂窝孔壁接触面积逐渐增 加,相邻蜂窝孔的孔壁逐渐熔合,最终形成表面精细、结构对称的六边形结构。最后,研究也提及了蜜蜂的生物行为对于蜂窝孔壁由圆形转变成六边形的促进作用。 在自然选择的作用下,蜜蜂已经掌握了一系列的技巧,如咀嚼蜂蜡、加热蜂蜡以及剔除蜂蜡等,这些技巧使得蜜蜂能够更简单、经济地建造六边形的蜂窝。张凯等人此前关于天然蜂窝的结构和力学性能的研究工作发表于《美国科学院院刊》。(北京大学)

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