方圓之間能負千鈞：藏在羽毛桿中的秘密

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望著天空飛過的鳥兒，人們常常希望能夠像它們一樣長出一雙翅膀。鳥兒翅膀的羽毛中藏有不少秘密，機智的你可能已經知道羽桿是中空的，有許多泡沫狀的孔洞，裡面充滿空氣，這樣一方面能夠保證其力學強度，另一方面能減輕羽毛的重量。不過，你知道羽桿的橫截面是什麼形狀么？或許你會不假思索的回答：圓形！對，也不對。最近，來自美國加州大學聖地亞哥分校的Meyers教授等人展示了一個意料之外但又情理之中的結果：羽桿的橫截面形狀是由圓形和方形一同組成的。

首先來看下面的這幅圖。上面的圖片是海鷗羽毛的截面，而下面的圖則是孔雀尾羽與鴕鳥羽毛的橫截面。從圖片中我們可以清晰的發現，海鷗翅膀的羽毛的截面是方形的，而孔雀和鴕鳥的羽毛截面則偏向於圓形。兩者之間還有一個區別：海鷗翅膀的羽毛是用于飛翔的，而孔雀和鴕鳥的尾羽則不是。

a)海鷗羽毛；b)孔雀尾羽；c)鴕鳥羽毛。圖片來源：Adv. Sci.

對於其他能夠飛翔的鳥類，它們翅膀的羽毛是否也像海鷗的羽毛一樣？研究者研究了其它幾種典型的鳥類（如烏鴉、禿鷲）的羽毛，發現它們翅羽的羽桿從根部到末端都存在一個從圓形向方形轉變過程。通過模擬圓柱形和方形管的彎曲過程，研究者們發現了其中的奧秘：方形管的彎曲剛性與模量要比圓形管高24.2%左右。研究者們發現，方形管在力的作用下發生形變要比圓柱形管慢一些，這主要是由於方形的上表面具有更大的接觸面積，能夠分散應力。事實上，這一形狀上的轉變能夠抵消羽毛的末端為了減少飛翔過程中來自側面的阻力、節約能量及減輕重量所造成的強度上的犧牲。

海鷗、烏鴉、禿鷲的翅羽羽桿從根部到末端的橫截面變化。圖片來源：Adv. Sci.

除了宏觀形狀，羽桿的微觀結構也是其良好的力學性能的原因之一。羽桿的外皮是由纖維狀的角蛋白所組成。下圖可以比較好的表明羽桿中纖維的排列狀態。首先，在靠近根部的圓形羽桿中，其最表層有一層較薄的、方向平行於表面且與羽管方向正交的纖維組成，而內部的纖維則均平行於羽桿方向排列；臨近末端的方形的羽桿內部纖維可分成上下表面和側面，上表面依舊存在平行於表面但略微斜交於羽桿方向的皮層，但底面與側面則不存在這樣的皮層，所有纖維都沿著羽桿方向平行排列；而在末端截面處則沒有前兩個位置上的表面皮層，所有蛋白纖維均沿羽桿方向排列。

羽桿蛋白纖維排列圖。圖片來源：Adv. Sci.

這項有趣的研究為我們揭示了羽毛力學強度的秘密，很好的展示了宏觀結構與微觀結構如何配合提升材料的性能，而這一研究也將為人們設計類似的輕質、高強度材料提供靈感。

Light Like a Feather: A Fibrous Natural Composite with a Shape Changing from Round to Square

Adv. Sci.,2017, DOI: 10.1002/advs.201600360

（本文由YHC供稿）

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