全 文 ：2 0 1 1年 1月 农 业 机 械 学 报 第 42卷 第 1期
猪笼草滑移区表面结构参数表征与捕集滑板仿生设计＊
王立新　周　强　刘启航
(中国农业大学工学院 , 北京 100083)
　　【摘要】　猪笼草(Nepenthes)叶笼滑移区因具有特殊的表面结构而对昆虫表现出良好的滑移功能。利用扫描
电子显微镜和三维白光干涉表面形貌仪对滑移区表面结构进行了显微观测并提取了三维结构参数 ,结果表明滑移
区表面主要由两端略向下弯曲的月骨体和致密无序排列的蜡质晶体组成。基于滑移区表面微结构及其三维参数 ,
利用 3DSMAX软件设计了蝗虫捕集滑板的表面结构 ,为具有良好滑移功能的蝗虫捕集滑板的制造提供了理论基础。
关键词:猪笼草　滑移区　显微结构　捕集滑板　仿生设计
中图分类号:S433.2 文献标识码:A 文章编号:1000-1298(2011)01-0233-03
DimensionsofSurfaceStructuresofSlipperyZoneinNepenthesPitchers
andBionicDesignofLocustTrappingPlate
WangLixin　ZhouQiang　LiuQihang
(ColegeofEngineering, ChinaAgriculturalUniversity, Beijing100083, China)
Abstract
TheslipperyzoneofinnerpitchersinNepenthesbearsspecializedstructurestoservethefunctionsof
trappinginsects.Thesurfacemicrostructuresofslipperyzoneanditsgeometricaldimensionswere
acquiredwithscanningelectronmicroscope(SEM)andscanningwhite-lightinterferometer(SWLI).
Theslipperyzoneconsistsofplentyofdownward-directedlunatecels, aswelasrelativelydenseand
iregularwaxcrystals.Basedonthemicrostructuresandthegeometricaldimensions, surfacestructuresof
slipperytrappingplatesusedincontrolingplaguelocustwasdesignedwith3DSMAXsoftware, andthis
designprovidedtheoreticalfoundationsformanufacturingslipperytrappingplates.
Keywords　Nepenthes, Slipperyzone, Microstructures, Slipperytrappingplate, Bionicdesign
收稿日期:2010-04-02　修回日期:2010-09-28
＊国家自然科学基金资助项目(50775214)和中国农业大学研究生科研创新专项资助项目(kycx09099)
作者简介:王立新 , 博士生 , 主要从事生物摩擦与材料仿生研究 , E-mail:wangcola@qq.com
通讯作者:周强 ,教授 , 博士生导师 , 主要从事生物光电技术与机械仿生研究 , E-mail:zq@cau.edu.cn
　　引言
猪笼草叶笼滑移区表面具有能够捕集昆虫的功
能 ,故其表面微结构 、化学组成和物理特性 ,以及与
昆虫附着系统的相互作用机理等受到广泛关
注 [ 1 ～ 2] 。借鉴猪笼草滑移区表面微结构仿生设计具
有良好滑移功能的昆虫捕集滑板 ,用以实现农业害
虫光电诱导捕集灭杀机械化技术 [ 3 ～ 4] ,不仅能够避
免喷施化学农药治理农业害虫引起的有机毒素在生
态环境中的残留积淀 ,还可实现部分昆虫的资源化
利用。本研究利用扫描电子显微镜与三维白光干涉
表面形貌仪对滑移区进行显微观测 ,提取滑移区表
面结构的三维参数;基于滑移区表面微结构及三维
参数 ,利用 3DSMAX设计具有良好滑移功能的蝗虫
捕集滑板的表面微结构 ,为捕集滑板的制造提供理
论基础。
1　滑移区表面结构显微观测
1.1　材料与方法
选取成熟的红瓶猪笼草(Nepenthesalata)叶笼
(图 1a),剪取滑移区 ,以备试验所用。把剪取的滑
移区制成 8mm×8mm样本 ,用 pH值为 7.2 ～ 7.4,
质量分数为 0.2% ～ 0.4%的磷酸缓冲液漂洗后放
置室内直到完全干燥 , 采用喷镀装置 (Bal-Tec
SCD005 SputerCoater)进行喷镀处理 (镀金 ,厚约
15nm)。处理好的样品置于扫描电子显微镜
(HitachiS-3400N, 16 kV)样品腔 ,进行叶笼滑移区
表面微形貌观察 。把剪取的滑移区制成 15mm×
15mm的样本 ,采用以上相同方法漂洗除去表面杂
质后置于三维白光干涉表面形貌仪(ZygoNewView
5000)样品台上进行观测 。
图 1　猪笼草叶笼与滑移区表面微结构的扫描电镜图
Fig.1　PitchersofNepenthesandthesurfacemicrostructures
ofslipperyzone
　
1.2　滑移区表面结构与三维参数
猪笼草叶笼滑移区的扫描电镜和三维表面形貌
观察试验完成后 ,获取滑移区表面结构的显微图像 ,
利用仪器自带的测量软件提取滑移区表面结构的三
维几何尺寸 。猪笼草叶笼滑移区约占整个叶笼长度
的 1 /3,滑移区表面覆盖着两端向下弯曲的新月体
和致密的蜡质晶体层(图 1b)。每个新月体对应着
一个增大交叠的保卫细胞 ,形成一个具有不对称凸
面的表层轮廓并与叶笼外壁交相垂直(图 1c)。蜡
质晶体层由形状不规则但可分辨轮廓的片状蜡质晶
体组成 ,晶体近乎垂直排列于叶笼外壁且紧密交互
成网状结构(图 1d),晶体之间互成角度分布各异 。
值得注意的是 ,位于新月体表面的蜡质晶体层比其
他区域明显稀疏 。三维表面形貌观测结果表明 ,新
月体之间的滑移区呈现尺度为微米级的波浪起伏表
面(图 2a),新月体外侧高度变化较为缓慢而形成斜
坡 ,内侧则近乎垂直变化而形成悬崖(图 2b、2c)。
　　从猪笼草叶笼滑移区的扫描电镜图像与三维表
面形貌图像可以获取滑移区表面整体结构的三维几
何参数 ,统计结果如表 1所示 。结果表明除蜡质晶
体厚度外 ,滑移区表面其他结构的几何尺度皆在微
米级范围。观察滑移区表面结构的扫面电镜图像 ,
发现新月体外形轮廓较为规则且类似于圆弧 ,进一
图 2　猪笼草叶笼滑移区表面微结构的三维形貌图
Fig.2　Scanningwhite-lightinterferometerimagesof
theslipperyzonesurfaceinNepenthespitchers
(a)新月体三维图　(b)新月体表面轮廓图
(c)新月体轮廓高度变化
　步计算获取新月体的半径为(37.6±3.6)μm(n=
36),圆心角为 86.2°±8.1°(n=28)。通过滑移区
表面的三维形貌观察 ,还可得到滑移区表面的粗糙
度 ,其中介于新月体之间的表面粗糙度为 Ra =
0.96μm, 而新月体周围的表面粗糙度为 Ra =
2.49μm,可见猪笼草叶笼滑移区表面具有较高的
粗糙度。
2　蝗虫捕集滑板表面形貌结构仿生设计
蝗虫的附着系数主要由具有坚硬末端的爪和柔
软表皮的爪垫组成 ,可与附着物表面形成机械锁合
与柔性接触两种耦合方式 ,从而能够稳固附着于绝
大多数基体表面[ 5 ～ 6] 。灾害蝗虫光电诱导捕集灭杀
机械化技术的发展 ,迫切要求研制具有良好滑移功
能的捕集滑板 ,使蝗虫附着系统形成的机械锁和与
柔性接触两种作用同时降到最低 ,以产生良好的滑
移效果。对猪笼草叶笼滑移区表面结构及其降低昆
虫附着机理的研究 ,以及其他领域仿生技术[ 7 ～ 9]的
日益发展 ,仿生滑移区表面结构设计制造具有良好
　　
表 1　猪笼草叶笼滑移区表面结构的几何尺寸
Tab.1　GeometricaldimensionsofsurfacestructuresinNepenthesslipperyzone
项目 长 /μm 宽 /μm 高 /μm 间距 /μm 密度 /个·mm-2
新月体　 50.6 ± 3.3 15.1±1.1 14.0±0.3 80.1±15.7 245.2±16.9
蜡质晶体 1.14 ± 0.15 (88.0± 10.7)×10-3 1.02±0.21 0.53±0.12
　　注:新月体高度和密度样本数分别是n=8和 n=4;其他样本数 n=36。
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滑移功能的蝗虫捕集滑板已具有可行性。
基于猪笼草叶笼滑移区表面结构及其几何尺
寸 ,采用 3DSMAX软件实现蝗虫捕集滑板表面微形
貌结构的仿生设计。针对滑移区表面结构的几何尺
寸处于微纳米级(表 1),设计过程中为便于操作 ,按
1 000∶1的比例设计滑板的表面微形貌结构。确定
捕集滑板基板尺寸为 800 mm×600mm×10 mm,
遵照滑移区新月体的几何参数及设计比例 ,捕集滑
板表面的新月体按照半径 37.6mm, 圆心角 86.2°,
宽 15.1mm,高 14.0mm的参数绘制 ,滑板表面新月
体的密度及单个新月体的摆放位置亦相似于叶笼滑
移区的新月体 (图 3a)。捕集滑板表面新月体绘制
后适当进行拉伸着色光照等渲染处理 ,以使设计效
果更加逼真 。为能够同时清晰分辨捕集滑板表面的
月骨体与蜡质晶体 ,在原定设计比例的前提下 ,再将
滑板表面蜡质晶体的绘制比例调至原来的 3 ～ 5倍 ,
即以长为 3.4 ～ 5.7mm,厚度为 0.26 ～ 0.44mm,高
度为 3.1 ～ 5.1mm的参数绘制蜡质晶体 ,其密度与
排列次序与叶笼滑移区的保持相似。设计完成后进
行角度调整 ,着色光照等渲染处理。蝗虫捕集滑板
表面微结构仿生设计效果如图 3b所示 ,局部放大如
　　
图 3c、 3d所示 。结果表明 ,该设计方法能够基于猪
笼草叶笼滑移区的表面微结构及其几何参数 ,实现
蝗虫捕集滑板表面为形貌结构的设计。
图 3　昆虫捕集滑板表面微结构仿生设计
Fig.3　Bionicdesignofsurfacemicrostructuresof
slipperytrappingplates
　
3　结束语
利用扫描电子显微镜和三维白光干涉表面形貌
仪对猪笼草叶笼滑移区表面结构进行了显微观测 ,
在对获取图像综合分析的基础上提取了表面微结构
的几何参数。基于滑移区表面结构及其几何参数 ,
利用 3DSMAX软件设计了蝗虫捕集滑板表面形貌结
构 ,为捕集滑板的制造提供了技术支持和理论参考。
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235第 1期　　　　　　　　　　　王立新 等:猪笼草滑移区表面结构参数表征与捕集滑板仿生设计