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生物力学分析和计算机模拟揭示了维纳斯捕蝇器的弹跳机制

维纳斯捕蝇器(Dionaea muscipula)仅需100毫秒即可捕获猎物。一旦它们的叶子(已变成捕捉器)关闭了,昆虫便无法逃脱。弗赖堡植物园和斯图加特大学的一个团队使用生物力学实验和虚拟的维纳斯捕蝇器,对捕集器的瓣如何运动进行了详细分析。弗赖堡的生物学家Anna Westermeier博士,Max Mylo博士,Thomas Speck博士,Simon Poppinga博士和斯图加特结构工程师Renate Sachse博士以及Manfred Bischoff博士表明,食肉植物的诱捕装置处于机械预应力之下。此外,每个瓣膜的三个组织层必须根据特殊图案变形。该小组的研究结果已发表在《美国国家科学院院刊》上。

金星捕蝇器的饮食主要由爬行的昆虫组成。当动物在大约20秒内两次触摸陷阱中的感官毛发时,它会突然关闭。陷阱如何感知猎物以及如何区分潜在猎物与掉入陷阱的雨滴等方面已为科学家所熟知。但是,捕集阱两半的精确变形过程仍然未知。

为了更好地了解这些过程,研究人员使用数字3D图像相关方法分析了陷阱的内表面和外表面。科学家通常使用这些方法来检查技术材料。然后,研究小组利用这些结果在有限元模拟中构造了多个虚拟陷阱,这些陷阱的组织层设置和层的机械行为有所不同。

只有处于预应力下的数字陷阱才会显示典型的捕捉。该团队通过在真实植物上进行的脱水测试证实了这一观察结果:只有浇水良好的疏水阀才能释放此预应力,从而迅速正确地关闭。给植物浇水改变了细胞中的压力,从而改变了组织的行为。为了正确关闭,捕集阱还必须由三层组织组成:一个内部组织收缩,一个外部组织扩张以及一个中性的中间层。

Speck和Mylo是弗赖堡大学卓越生活,自适应和能源自主材料系统(livMatS)集群的成员。金星捕蝇器在那里用作仿生演示器的模型,该仿生演示器由该集群的研究人员开发,由人造材料制成。科学家使用它来测试具有逼真的特性的材料系统的潜在用途:这些系统适应环境的变化并从该环境中获取必要的能量。

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