為什麼鳥兒可以飛翔?「羽毛」為什麼超「耐撕」?

每當看到鳥兒穿梭樹林，雄鷹翱翔天空，你在想什麼？你是否曾經想像自己像鳥兒一樣，擺脫重力的束縛，在天空中尋找自由的海洋？那麼，問題來了，為什麼鳥兒可以飛翔？其實，幼兒園的小朋友都知道，那是因為鳥兒有翅膀。鳥兒翅膀是由羽毛組成的，但是什麼造就了其長時間飛行，抵禦風吹雨淋，甚至叢林鉤掛的能力呢？

鳥兒翱翔天空（圖片來自網絡）

孩童時期，我們曾玩弄羽毛，將其拉開，還可以讓它恢復如初。

如下圖所演示的，當我們用一隻手固定羽杆，另一隻手沿羽尖向羽根方向拉扯羽毛時，羽毛會被拉伸（圖A），並在某個瞬間沿葉脈方向被拉開（圖B，紅色箭頭）。用手指輕輕地沿羽根到羽尖方向捋順羽毛，可以將其分開的地方修復（圖C，紅線）。更為不可思議的是，當再次拉扯羽毛時（圖D），羽毛會從另一個位置被分開，而不是之前的紅線的地方（圖E，藍色箭頭）。而分開的羽毛也可像前面一樣被修復（圖F，藍線）。並且，這個分離和修復的過程可以重複很多次，表明羽毛具有優異和穩定的自修性能。

手動演示羽毛的分開和修復

我們都知道結構決定性質，因此對於毛結構的探索從未止步。早在17世紀中期，英國博物學家羅伯特•胡克就利用顯微鏡觀察了鳥類羽毛的翅膀，並初步描繪出了羽毛的結構模型圖（精細結構未能觀察到）。自此，人們對羽毛的微觀形貌有了初步了解。

隨著顯微技術的發展，電子顯微鏡的出現使得更多更小的微觀結構顯露在人們眼前。人們總結出，羽毛是由兩側平行的羽枝組成，而羽枝兩側平行排布著不同結構的羽小枝。朝向羽毛尖端的羽小枝具有很多鉤子（每個羽小枝有4-5個鉤子）從其中部向腹側伸出，被稱為帶鉤羽小枝（hookbarbule）。羽枝另一側的羽小枝具有邊緣捲曲的片狀結構，被稱為滑道羽小枝（bowbarbule）。基於此，人們提出了「鉤子-滑槽（hook-groove）」結構模型，用以解釋羽毛的自修能力。

Hooke描繪的羽毛模型圖

R.Hooke （1665） Micrographia， or， Some Physiological Descriptions of Minute BodiesMade by Magnifying Glasses with Observations and Inquiries Thereupon （The RoyalSociety， London）

羽毛結構模型的進一步完善

但其實，目前人們提出的「鉤子-滑槽」模型忽略了羽毛的精細結構，並不能很好地解釋羽毛的抗撕裂和超耐久性。近日，中科院理化所仿生材料與界面科學實驗室王樹濤研究團隊利用X-射線顯微鏡和顯微作業系統，對羽毛的精細三維結構及其功能進行了觀察，發現了羽毛的羽枝間的一種新型機械互鎖體系：級聯滑鎖系統（由鉤子，滑道和滑道端部的級聯背刺組成），並闡明了級聯滑鎖結構的工作原理，成功揭示了羽毛抗撕裂能力和超耐久性的秘密（Repairable cascaded slide-lock system endows bird feathers with tear-resistance and superdurability， PNAS 2018， DOI： 10.1073/pnas.1808293115）。這種級聯滑鎖結構不僅保證了羽枝間較強的粘附力，同時保護了羽枝在分離過程中不受到損壞。

實驗測試表明，羽毛具有很好的拉伸性能；並且經過1000次的分開/修復實驗，羽枝間的粘附力仍能達到初始值的80%以上。由此說明，這種結構促成了鳥類羽毛的抗撕裂能力和超耐久性能，使得鳥類能夠在惡劣的環境中飛行。同時，這種級聯滑鎖結構為新型柔性織物和電子器件的設計製備提供了新的思路。

利用X射線顯微鏡觀察並重構的羽毛的原位立體結構

羽小枝的精細結構。（A，B）單個羽枝的背側（A）和腹側（B）結構。（C，D）每個帶鉤羽小枝具有四個從其中部伸出的下垂向後的鉤子。（E，F）滑道羽小枝邊緣捲曲，捲曲的的邊緣在其端部轉變為4-5個曲面三角形狀的刺狀結構，稱為背刺。（G，H）鉤子和背刺具有匹配的尺寸和形狀。

羽毛的級聯滑鎖系統的簡化功能模型：當受到外力時，鉤子的帶狀部分被拉直，鉤子勾在滑道羽小枝的捲曲邊緣上（圖i）。隨著外力的逐漸增大，鉤子以捲曲邊緣為滑道，往端部滑動，並且羽小枝也逐漸彎曲變形（圖ii）。當力逐漸增大，羽小枝彎曲程度達到一定值時，鉤子滑到滑道端部的背刺位置並與背刺形成互鎖結構（圖iii）。由於背刺改變了滑道的方向，阻礙了鉤子因繼續滑動而從滑道羽小枝上滑離。若想鉤子從滑道上滑離，則需要增加外拉力，使得帶鉤羽小枝和滑道羽小枝繼續彎曲變形，當彎曲程度超過某個閾值時，鉤子和背刺的互鎖結構被打開，鉤子從滑道上滑離或勾在後面的背刺上重複這個過程，直至離開（圖iv-vi）。如果在鉤子離開滑道之前，外力消失，鉤子則會由於羽枝的回彈力回到接近初始位置（圖v-i）。

至此，羽毛的精細結構已被清楚闡述，級聯滑鎖結構模型也被提出，併合理解釋了羽毛的抗撕裂能力和超耐久性。這種級聯滑鎖結構模型為進一步人造羽毛的製備提供了新思路，使人們的飛翔夢想更進一步。