水鸟进食非吮吸，Science说是吧唧嘴——水鸟啄食的毛细棘轮效应

强迫症患者想吐槽看不懂标题，好吧，本次小强强想要跟大家探讨的是【水鸟啄食的表面张力运输：毛细棘轮效应】。

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?

身披漫天坠落的露珠，
追逐在夕阳残照中间，
你形单影只往哪里去？
掠过那玫瑰色的云端。

这是《致水鸟》开篇几句，汉语部分是七个隆冬小强强胡乱翻译的，因为网上找不到满意的译文，欢迎大家留言赐教撒。诗人叫布莱恩特，是美国第一个浪漫主义诗人。爱默生曾经盛赞他“是布莱恩特第一个，也是唯一的一个，向世人展示了我国的北方景色——夏日的盛装、秋天的斑斑褐色以及隆冬的明与暗。”爱默生是谁？你这话在美国怕是要遭白眼的，爱默生是确立美国文化精神的代表人物，被林肯总统称为“美国文明之父”。啥？听不懂？！孔子在中国什么样，爱默生在美国就什么样。献上我萌萌哒嫌弃小眼神，【嫌弃】。

怎么今天提到水鸟了？这个问题问的好，可是我不准备回答你，就不！(整理一下发型)。说，最近和小伙伴聊天，聊到了《鸟瞰地球》，（我举8支手推荐大家去看看），然后小强强就突然想到了水鸟啄食的棘轮效应，我也觉得有写一点东西的必要了。有人说过，“再拉风的人，也得靠嘴吃饭”（我不会告诉你是我说的）。不同鸟儿有不同的嘴，其捕食策略自然各不相同。今天要为大家介绍的，是一种涉及到表面张力的捕食机理----棘轮效应。顺便说一嘴，你知道棘轮扳手为什么叫棘轮扳手吗？很简单啊，因为它是用棘轮结构原理制造的扳手。

你以为棘轮都长这样——

来源：百度图片

其实，棘轮还可以长这样——

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或者这样——

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虽然看起来都是五花八门，但是同一个物种就有同一种“DNA”，棘轮效应的“DNA”就是使往复运动改变为单向运动。骑自行车，脚蹬可正转亦可反转，但是“宝马”总是向前看。蛇左右摆动，却是向前运动。这些都可以叫做棘轮效应。来，再跟我读一遍：棘轮效应的DNA就是使往复运动改变为单向运动。以后有机会再和大家细说。

《孙子》曰：知己知彼，百战不殆。既然研究的是水鸟进食，那总得对水鸟有一定了解吧，怎么也得对水鸟吃饭的家伙----喙有一定了解吧。子曰：有图有真相，没图别说话。啥？孔子没说过？那就算我说的好了（我不会告诉你那就是我自己说的）。

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

看看这修长的优雅的性感的鸟喙，像不像一根吸管被调皮地咬平，然后把两边割开？通常我们用的吸管都是空心圆柱体，或者用化学语言来说，就是单壁碳纳米管形状的。可想而知，水鸟想用一个两边开口的吸管来吸食，那是不靠谱的。不信，你试试。最简单的，请把嘴角咧到最大，然后喝水，喝不进去吧。那么，水鸟确实靠这个家伙什吃饭啊，这究竟是怎么一回事呢？

水鸟也是懂科学的好不啦，人家不是靠吸的，人家靠的是吧唧嘴，就是频繁的张嘴闭嘴，这样呢，就能使水沿着鸟喙乖乖跑到肚子里去。看，往复运动变成了单向运动，赌圣出场背景音乐响起，棘！轮！效！应！

好了，现在大家知道了，棘轮效应是对水鸟进食的高度概括，可是它究竟是怎么个机理，怎么个细节处理过程呢？看官墨迹，七个隆冬小强强还没说完呢。大家都知道有一个很重要的科学研究方法叫做建立理想化模型。

2008年science文章《水鸟啄食的表面张力运输：毛细棘轮效应》的作者，就建立了一个模型，将完全润湿的橄榄油液滴置于楔形槽开口处，从而发现几个如下的“真理”：

1，液滴朝着楔形槽顶点移动。这说明什么？这说明液滴也是有追求有信仰的，一心向着太阳、向着光明、向着真理（我上去就是一个大嘴巴，疼。。。）。

2，越靠近楔形槽顶点，橄榄油移动速度越快。

3，如果将楔形槽的张角变大，则橄榄油移动速度变快。如下图，A为两块板夹液滴示意图，就问你像不像脑袋被门板夹到了。B中液滴为橄榄油，完全润湿，θ1=θ2=0。请看下图A，1，那个标注两个角θ1和θ2的灰色区域即为液滴，滴两侧页面明显是不对称的，这种不对称会产生压力差，驱动液滴向楔形槽顶端移动。还是下图A，当x>L时，液滴移动速度 u~αγ/η。当u~αγL/ηx 。2，两种情况下，u都和α成正比，所以，α越大，u越大，即张角越大，移动速度越快。3，当x>L时，u和L及x无关，即速度恒定；当x<L时，随着液滴向楔形槽顶端移动，L/x增大，则u增大，即液滴速度增大。

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

理想模型，永远是理想模型，若要解决实际问题，必须具体问题具体分析，对理想模型做出必要修正。橄榄油是完全润湿的，但水鸟的食物营养液是部分润湿，因此并不会在表面张力作用下自发移动。下面祭出我们的神器，毛细棘轮效应（赌神出场背景音乐）。

给出水鸟鸟喙闭合和张开循环的示意图，如下，1中A到B为闭合，B到C过渡，C到D为张开。2中是两个坐标系纵轴堆放在一起形成的。横坐标均为时间，很容易看出来是3个周期（即鸟喙闭合3次，张开3次）。下边的坐标系纵轴是张开角；上边坐标系纵轴是鸟喙尖端到接触线的距离，上边坐标系中，红色小圆圈为前进接触线，绿色小三角为后退接触线。先看2中下侧坐标系，可明显看到张开角由最大减少到最小，再到最大，再到最小......，即是鸟喙闭合、张开、闭合、张开、闭合、张开过程，3个循环。结合1，2的上侧坐标系，可看出，在闭合的时候，主要是前进接触线大幅前进，表现为向鸟嘴方向移动；在张开时候，主要是后退接触线大幅后撤，表现为向鸟嘴方向移动。请注意，前进接触线向鸟嘴前进为正方向，后退接触角向背离鸟嘴前进为正方向。

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

这里边其实还有更深层次的机理，那说起来可不简单，牵扯到3种情况，以后有机会再详细和大家论述撒。孔子教导我们“话不能说的太细”，我们要听孔子的，阿门。

参考文献：
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. 仿生智能纳米材料[M]. 科学出版社, 2015.

本文为《仿生智能与纳米材料》读书笔记系列第三篇，由材料牛编辑小强提供。如需转载请邮件至editor@cailiaoren.com，点我加入编辑部。