再來研究個鳥：羽毛上的神奇「粘扣」

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一根小小的羽毛，藏著許多有趣的秘密。加州大學聖地亞哥分校Marc A. Meyers教授課題組一直致力於鳥類羽毛結構的研究。不久前，他們在Adv. Sci.上發表研究論文，揭示了鳥類羽桿中的多級結構如何實現輕質負重性能（點擊閱讀相關）。這一次，他們將目光轉向羽毛上的羽小支（barbule）。羽小支是羽桿兩側平行排列的細小的羽毛，在鳥類的飛行過程中，它們能夠捕獲空氣以獲得浮力；受到損傷時，鳥類通過整羽可使損失得到修復。在這項研究中，Meyers教授課題組揭示了羽小支結構如何實現可逆粘附，並且如何在飛行中捕獲空氣以獲得浮力。相關論文發表在Adv. Funct. Mater.上。

羽毛、羽支（barb）、羽小支的微觀結構。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

在這項研究中，Meyer教授團隊發現，羽小支中存在著「鉤」與「槽」兩種結構，二者通過互相咬合實現緊密連接，其中「槽」形羽小支與主幹的夾角較小且長度較長，因此在平行拉動的過程中具有更大的作用力矩及近軸轉動。在拉動的過程中，「鉤」形羽小支在「槽」形羽小支里移動，並且在達到極限時清脆的分離，而在鳥類整羽的時候這種結構又可以重建。

羽小支分離與整羽過程。圖片來源：Adv. Funct. Mater.

為了研究羽毛的微結構對這種可逆粘附性能的影響，研究者仿造羽小支結構製備了具有不同厚度、形狀以及末端結構的羽小支。結果發現，具有較厚的根部結構、矩形並且具有較長的末端彎曲結構的「鉤」形羽小支具有最大的粘附力。實驗也發現，更為剛性的羽小支結構有利於在飛行過程中承載更多力。

他們還研究了三種不同鳥類（鴿子、鵜鶘和珍珠雞）的翅膀羽毛在風下的受力情況。實驗結果表明，三種鳥類中珍珠雞的羽毛受力情況受羽小支咬合情況的影響最大，而鴿子則受影響最小。同時，珍珠雞的羽毛更易彎曲，羽毛受到的拖拽力較小，而鴿子和鵜鶘則較大，這也說明了為何鴿子和鵜鶘主要是通過飛行來移動，而珍珠雞則以跑動和偶爾的飛行作為主要的移動方式。