[论文解读] Is viscous adhesion strong enough to allow prey capture by chameleons
本研究表明，拟人蜥蜴通过极高粘性的黏液实现高效的猎物捕捉——其黏液粘度是人类唾液的400倍，从而在舌头回缩过程中实现强附着。动力学模型证实，高黏度黏液与大接触面积的结合，使拟人蜥蜴能够按体型比例捕捉猎物，而不会发生附着失效。
Chameleons are able to capture very large preys by projecting the tongue and retracting it once it is in contact with preys. A strong adhesion between the tongue tip and the prey is therefore required during the retraction phase to ensure a successful capture. To determine the mechanism responsible for this strong bond, the viscosity of the mucus produced at the chameleon's tongue pad is measured by using the viscous drag exerted on rolling beads by a thin layer of mucus. The viscosity of this secretion is found to be about 400 times larger than the one of human saliva. With a dynamical model for viscous adhesion describing the motion of the compliant tongue and of the prey during the retraction phase, the evolution of the maximum prey size with respect to the chameleon body length is derived. This evolution is successfully compared with in vivo observations for various chameleon species and shows that the size of the captured preys is not limited by viscous adhesion thanks to the high mucus viscosity and the large contact area between the prey and the tongue.
研究动机与目标
- 探究粘性附着是否足以使拟人蜥蜴捕捉大型猎物。
- 通过滚动小珠在黏液层上的粘性阻力测量拟人蜥蜴舌头黏液的粘度。
- 建立舌头回缩过程的力学模型，以预测最大猎物尺寸。
- 将模型预测结果与不同拟人蜥蜴物种的在体观察结果进行比较。
- 确定粘性附着是否受黏液性质限制，或因其黏液特性而足够充分。
提出的方法
- 通过小珠在薄层黏液上滚动时的粘性阻力测量黏液粘度。
- 建立舌头与猎物在回缩过程中运动的弹性动力学模型。
- 在模型中引入高黏度黏液（400倍于人类唾液）与大接触面积。
- 推导出拟人蜥蜴体长与最大猎物尺寸之间的理论关系。
- 将模型预测结果与多种拟人蜥蜴物种中观察到的猎物尺寸进行验证。
- 将实验测得的黏度数据作为理论模型的输入，以评估附着强度。
实验结果
研究问题
- RQ1粘性附着是否足够强，以防止拟人蜥蜴舌头回缩过程中猎物脱落？
- RQ2拟人蜥蜴舌头黏液的粘度与人类唾液相比如何？
- RQ3黏液粘度与接触面积在多大程度上决定了最大猎物尺寸？
- RQ4粘性附着的理论模型是否与拟人蜥蜴真实世界中的猎物捕捉观察结果一致？
- RQ5仅靠粘性附着是否足以解释不同拟人蜥蜴物种所捕捉猎物的尺寸？
主要发现
- 拟人蜥蜴舌头尖端的黏液粘度约为人类唾液的400倍。
- 动力学模型成功预测了猎物尺寸随拟人蜥蜴体长的观测尺度关系。
- 高黏度黏液可防止猎物回缩过程中发生附着失效，即使面对大型猎物亦然。
- 舌头与猎物之间的大接触面积可增强附着强度。
- 模型证实，粘性附着足以实现与体型成比例的猎物捕捉。
- 在体观察结果与理论预测一致，表明粘性附着并非限制因素。
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