SaadBhamla在他的后院注意到他以前从未见过的东西：一只昆虫在小便。虽然几乎看不见，但昆虫在它的尾巴上形成了一个几乎完美的圆形液滴，然后迅速将其发射出去，以至于它似乎消失了。这只小昆虫在几个小时内反复排便。
人们普遍认为，有进必出，所以当涉及到动物的流体动力学时，研究主要集中在进食而不是排泄上。但佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授Bhamla有一种预感，他所看到的并非微不足道。
“尽管排泄的流体动力学会影响动物的形态、能量和行为，但人们对它知之甚少，”Bhamla说。“我们想看看这种小昆虫是否想出了任何巧妙的工程或物理创新，以便以这种方式撒尿。”
生物工程研究生Bhamla和ElioChallita调查了玻璃翅神枪手——以在农作物中传播疾病而臭名昭著的微小害虫——如何以及为什么会以这种方式排泄。通过使用计算流体动力学和生物物理实验，研究人员研究了排泄的流体、能量和生物力学原理，揭示了一只比小指尖还小的昆虫如何完成物理学和生物工程的壮举——超级推进。
他们的研究发表在NatureCommunications上，是对生物系统中这种现象的首次观察和解释。
研究人员使用高速视频和显微镜来准确观察昆虫尾端发生的情况。他们首先确定了一种非常重要的生物物理工具所起的作用，这种工具称为肛门笔，或者用Bhamla的话说，是“屁股闪烁器”。
Challita和Bhamla观察到，当神枪手准备小便时，肛管笔会从中立位置向后旋转，以便在昆虫挤出液体时腾出空间。当触笔保持在同一角度时，液滴逐渐形成并长大。当液滴接近其最佳直径时，触控笔会向后旋转约15度，然后，就像弹球机上的鳍状肢一样，以令人难以置信的速度发射液滴。手写笔可以加速超过40Gs——比最快的跑车高10倍。
“我们意识到这种昆虫已经有效地进化出了像弹射器一样的弹簧和杠杆，并且它可以使用这些工具以高加速度反复投掷尿液，”Challita说。
然后，研究人员测量了肛管笔的移动速度，并将其与液滴的速度进行了比较。他们做出了一个令人费解的观察：液滴在空气中的速度比弹射它们的肛管笔更快。他们预计液滴以与肛门笔相同的速度移动，但液滴的发射速度比笔本身快1.4倍。
速度比表明存在超级推进力——这一原理以前仅在合成系统中显示过，在该合成系统中，弹性射弹在其发射时间与射弹时间匹配时获得能量提升，就像潜水员计时跳板跳下一样。
经过进一步观察，他们发现触控笔压缩了液滴，在发射前由于表面张力储存了能量。为了测试这一点，研究人员将水滴放在音频扬声器上，利用振动高速压缩它们。他们发现，在微小尺度上，当水滴被发射时，它们会由于固有的表面张力而储存能量。如果时机恰到好处，液滴可以以极高的速度发射。
但是为什么神枪手会在水滴中小便，这个问题仍然没有答案。神枪手几乎零卡路里的饮食只包含植物木质部汁液——一种只含有水和微量矿物质的营养缺乏的液体。他们每天喝的木质部汁液高达其体重的300倍，因此需要不断饮水并有效排泄他们的液体废物，其中99%是水。另一方面，不同的昆虫也完全以木质部汁液为食，但能以强大的射流排泄。
该团队将神枪手样本送到了一个专门的实验室。微型CT扫描使Bhamla和Challita能够研究神枪手的形态并从昆虫内部进行测量。他们使用这些信息来计算神枪手将液体推过其非常小的肛管所需的压力，从而确定神枪手小便需要多少能量。
他们的研究表明，超推进液滴喷射是神枪手在每个进食-排泄周期中保存能量的一种策略。由于体积小和能量限制，神枪手面临着重大的流体动力学挑战，而在液滴中小便是它们排泄的最节能方式。
昆虫超级推进的有前途的应用
通过结合生物学、物理学和工程学，该研究对多个领域都有影响。了解排泄在动物行为、大小和进化中的作用可以应用于生态学和种群动态。例如，神枪手是加利福尼亚和佛罗里达州的主要农业害虫，因为它们在葡萄园和柑橘类作物中传播疾病，造成数百万美元的损失。
神枪手的排泄物可能会成为一种媒介监测工具，因为随着气候变化，这个问题可能会变得更糟。该团队的分析还强调了研究排泄过程的重要性，因为它们可以从多方面的角度揭示生物体的行为。
研究神枪手如何使用超级推进力还可以深入了解如何设计以较低能量克服粘附和粘性的系统。一个例子是低功率喷水可穿戴电子产品，例如使用扬声器振动从设备中排斥水的智能手表。
“这项研究的主题可能看起来异想天开和深奥，但正是通过这样的调查，我们在我们正常人类经验之外的规模上深入了解了物理过程，”生物理事会项目主任MiriamAshley-Ross说。美国国家科学基金会的科学。
“神枪手正在处理的事情就像我们试图扔掉粘在我们手上的沙滩球大小的枫糖浆球一样。这些小昆虫为解决问题而进化的有效方法可能会导致仿生解决方案在电子产品等微型制造应用中去除溶剂，或从结构复杂的表面快速去除水分。”
昆虫排尿这一事实本身就很有说服力，主要是因为人们不经常考虑它。但是，通过将物理学的镜头应用到日常的微型生物过程中，研究人员的工作揭示了欣赏眼睛以外的小行为的新维度。
“这项工作强化了好奇心驱动的科学是有价值的想法，”Challita说。“事实上，我们发现了一些非常有趣的东西——生物系统中液滴的超级推进力和在其他领域应用的物理学的英勇壮举——让它变得更加迷人。”