|
天然蜂窝由圆形向圆角六边形的华丽转身
近期，作者（北理工 Zhang Kai）与北京大学工学院力学系王建祥教授和英国卡迪夫大学工学院(Cardiff University)Bhushan Karihaloo教授合作，利用简单的力学模型揭示了天然蜜蜂窝六边形结构的形成机理。 这一研究成果形成的论文《Honeybee combs: How the circular cells transform into rounded hexagons (天然蜂窝：如何由圆形转变成圆角六边形) 》已经在《Journal of the Royal Society Interface》(英国皇家学会界面杂志)上发表，同时这一有趣的研究成果还被《自然》、《探索》、《生命科学》等网站转载、澳洲广播公司网站、美国《赫芬顿邮报》、《未来》网站等国际媒体进行了广泛报道。
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，已被证实该六边形结构最大程度地节省了蜜蜂的劳力和蜂蜡。蜂窝如果呈圆形或八角形结构，会出现空隙；如果呈三角形或四角形结构，面积又会减小，而六边形无疑是“经济效益”最好的形状，蜜蜂利用最少的材料建造出了最宽敞的居住空间，彰显了大自然的神奇之处。然而，迄今为止，对于蜜蜂建造完美六边形结构的过程分析和实验观测还尚处空白。
作者与其合作者，经过长时间的观察记录，发现蜂种较优的意大利蜜蜂在建造蜂窝时并非直接建造成六边形，而是首先建造圆形截面的蜂窝孔，这些圆孔堆积成常规的六方阵列，慢慢地，随着蜂窝孔深度的增加，蜂窝孔才逐渐地由圆形转化成六边形。
而这一有趣的过程，还与蜜蜂的生物行为有关。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，正是该液桥的作用下，孔壁内产生拉应力，使得蜂窝孔形成圆角六边形。之后，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。
  上图展现了“变形”前后的天然蜂窝中单个蜂窝孔的几何构型，图（A）展示的是建造过程中呈圆形的蜂窝孔；图（B）展示的则是建造好的呈完美六边形的蜂窝孔，比例尺为2mm。
为了验证这一“华丽转身”的科学过程，研究者利用圆形截面的塑料吸管模拟蜂窝孔的六方阵列排布制作简易模型，让其均匀受热，通过实验验证了蜂窝孔可由圆形转变为六边形的科学结论。而六边形蜂窝多孔材料具有较轻的重量、优良的力学性能、较高的材料的可靠性和稳定性，正是这些突出的特性使其在航空航天等工业领域中得到了广泛运用。 对自然现象的科学研究，揭示天然蜂窝六边形结构的机理，对于开展新型蜂窝材料及新型蜂窝结构技术的研究起到了积极的推动作用，对这一领域的深化研究有着特殊的基础意义，将为制造航空复合材料和蜂窝夹层结构技术上的研究提供新思路、新方法，能够更好的满足航天等领域对多品种、多规格蜂窝材料的需求。
|
|
|
