北京理工大学万超研究员AM：破解昆虫翅膀抗损伤之谜，纳米级几丁质纤维取向揭示自然设计智慧

昆虫翅膀看似脆弱，却能承受数百万次飞行载荷，其产生的空气动力远超自身体重。这一奇迹源于几丁质纤维构成的层级复合材料结构，但纤维取向如何适应复杂力学需求仍是未解之谜。过去研究受技术所限：偏振显微镜未能发现蝗虫翅膀的优先取向证据，而电子显微镜虽在蝉和蝴蝶翅膀中检测到定向纤维，却无法精确解析取向模式。更关键的是，学界曾长期误判昆虫翼膜仅由无几丁质的蛋白质和蜡质组成，直至近年才在蝇类膜翅中发现几丁质存在。这一认知空白严重阻碍了对昆虫飞行奥秘的揭示。

北京理工大学万超研究员团队通过同步辐射X射线微束/纳米束衍射技术，首次绘制出沙漠蝗后翅几丁质纤维的空间取向图谱。研究发现翼膜中存在两种区域特异性纤维排布模式：基部纤维沿翅脉径向排列，翼尖则呈双峰正交分布。结合有限元模拟，团队揭示这种纳米级取向通过优化裂纹扩展阻力、弹性应变能分布及脉管-膜连接强度，使翅膀兼顾轻量化与抗损伤能力。该成果为微型飞行器和先进复合材料设计提供了仿生蓝图。

从显微结构到功能验证图1 结合蝗虫后翅显微图像与X射线衍射图谱，直观呈现几丁质纤维的分布规律。衍射信号显示，纵脉区域结晶度最高（强而尖锐的013反射峰），翼膜区域信号较弱但仍具明显各向异性。微束扫描发现：纵脉边缘纤维信号最强，交叉脉处则因隆起形态导致纤维部分倾斜出膜平面（图1h）。更关键的是，翼膜纤维在交叉脉两侧呈现约90°的角度切换（图1g白/黑箭头），而在纵脉附近则保持平行或渐变过渡，暗示其对连接强度的适应性调控。

图1蝗虫后翅样本及不同区域平均X射线衍射图谱。a) 雌性蝗虫展开的右后翅，标注12个研究区域；b) 区域8的透光显微照片；c-e) 纵脉(c)、交叉脉(d)和翼膜(e)的平均X射线微衍射图谱，白色箭头指示α-几丁质的特征反射峰；f-h) 区域8的微束X射线衍射结果：f) 几丁质信号强度分布图；g) 晶体几丁质链取向图，箭头显示脉管两侧纤维角度90°切换；h) 基于纤维偏离膜平面程度的晶体链取向强度图。

图2通过纳米级测绘解析不同区域的纤维取向偏好。基部（区域1）和中部（区域3、7）纤维主要沿相邻纵脉方向排列（角度变异<30°），而翼尖区域（区域5、10-12）则呈现双峰分布，两峰角度近似垂直。整体坐标分析显示，沿翼展和弦向均存在顺时针旋转的纤维取向模式（图2b-g），这种渐变式排布为翼尖的柔性变形奠定基础。

图2后翅不同区域的几丁质纤维优先取向。显微照片标签对应图1a样本编号，黑色线段表示各样本中纤维优先取向方向，长度反映该角度计数频率。区域1(b)和区域7(c)因取向相近显示三条重叠线段。比例尺：b-e, g-i为200μm。

图3-6通过八种膜结构模型的力学模拟验证功能优势。天然模型（I-IV）在循环载荷下表现出最优抗疲劳特性（图3f-h），延迟裂纹萌生且耐受更高循环次数；而人工模型VIII（纤维沿交叉脉）虽在静态载荷下抗裂性最强（图3c-e），却牺牲了疲劳耐受性。压力模拟进一步揭示：天然模型在12Pa气流下实现弹性变形与应变能的区域平衡——基部刚性高（变形量小），翼尖柔性大（图4b）；在120Pa高压下，天然模型的失效因子分布更局部化（图5-6），避免整体崩溃，而人工模型V、VII则出现大面积高失效风险区。

图3八种膜结构模型的裂纹扩展模拟。a) 规则闭合细胞的后翅二维模型，深灰/浅灰分别代表纵脉和交叉脉，翼膜分外部(橙)、中部(深黄)、内部(浅黄)三部分；b) 八种膜模型纤维排布示意图，星号表示随机取向；c-e) 静态载荷下远端(c)、中部(d)、近端(e)裂纹扩展的应力-应变曲线；f-h) 循环载荷下对应位置的裂纹增长曲线。

图4单细胞膜模型在12Pa压力下的变形模拟。a) 模型及边界条件示意图；b-f) 八种模型的最大挠度与弹性应变能对比：(b)天然模型I-IV，(c-f)人工模型V-VIII分别与天然模型对比。

图5-6120Pa压力下膜失效因子分布（图5：膜厚4μm；图6：膜厚1.5μm）。白色虚线划分膜内部/中部/外部区域，天然模型III-IV(图6a-b)失效区更局部化，人工模型V/VII(图5c,e; 图6c,e)则出现大面积高风险区。

结论与展望

数百万年进化塑造的几丁质纤维取向，为昆虫翅膀提供了裂纹阻力、柔性变形与能量效率的完美平衡。这种纳米级结构策略远超传统层状或单向复合材料的性能极限，为微型飞行器设计开辟新路径。研究团队指出，梯度纤维网络和界面层级控制将成为下一代仿生材料的关键，未来有望在航空航天、柔性机器人领域实现“如昆虫般强韧”的革命性突破。

来源：高分子科学前沿

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