动物毛发的形状结构及其功能特性研究

第１８卷　第２期　２。。２年　农业工程学报　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＡＥ　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．２　Ｍａｒ．２００２　２１　３月　动物毛发的形态结构及其功能特性研究　杨晓东，任露泉　（吉林大学地面机械仿生技术教育郁重点实验室）　摘要：对人发及其他Ｉ４种动物毛发的扫描电镜（ＳＥＭ）照片进行分析，根据它们形态结构特征将其分为指状结　构、芽状结构、鳞状结构和波状结构４类．并就每种毛发结构的保温性、疏水性及其柔性进行了比较分析。分析结果　表明，具有指状细观结构形态的毛发在保温性、琉水性及柔韧性方面具有昵显优势，这一信息对研究开发新型功能　材料具有借鉴作用。　关键词：动抽毛蔑｝蛄构形态；保温性｝疏水性ｆ秉韧性　中图分类号｝Ｓ１８３　文献标识码：Ａ　文章绾号：１００２—６８１９（２００２）０２—００２１—０４　许多生物结构与形态信息对现代仿生功能材料　的研究与开发具有重要的启迪作用。２ｏ世纪６ｏ年　代初，Ｋｒａｍｅｒ根据海豚的体表双层柔性结构形态，　研究仿造出具有明显减阻效果的“人造海豚皮”ｌ１］；　波恩大学巴特劳特教授发现莲花的叶子表面的微型　结构为具有ｌ，ｕｍ细的蜡状毛刺，这是莲花叶子不　沾水的根本原因。根据这一被称为“莲花效应”的原　理，德国克莱维斯公司和弗劳恩霍夫研究所于２０００　年初在莱比锡建材展览会上推出了一种具有广泛应　最小组元是ａ一螺旋，其多肽链大体上与角蛋白的轴　平行。从角蛋白纤维的衍射图中观测到的０．５０～　０＋５５　ｎｎｌ的大周期与ａ一螺旋模型中的螺距（０＋５４　ｎｍ）相当；衍射图中观测到的０　１５　ｎｍ的小周期与　口一螺旋中每个残基绕轴旋转１００。时轴向平移距离　（Ｏ．１５　ｎｍ）相当。　角蛋白中３股右手　螺旋向左缠绕拧成１根，　称为原纤维结构，直径为２　ｎｍ，这是一组合的超二　级结构。原纤维再排列成“９＋２”的电缆式结构，称为　微纤维，直径为８　ｎｍ。微纤维包埋在硫含量很高的　无定形基质中。成百根这样的微纤维又结合成一不　规则的纤维束，称大纤维，其直径为２００　ｎｍ。　每根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细　胞。皮层细胞横截面直径为２０，ｕｍ。在这些细胞中大　用范围的不粘水、抗污染的特殊薄膜　］；吉林大学王　云鹏等根据一些典型土壤动物的体表柔性具有的减　粘脱土功能信息，研究开发了仿生柔性链及柔性网　衬脱土减粘技术，应用于自卸车及铲装车抓斗，取得　了明显的效果　］。本文作者在研究某些土壤动物体　表毛皮减阻作用时感到动物或人的毛发结构形态可　能是其具有某些特别功能的重要原因　］。事实上，　早在１８５３年，有关毛的形态学研究就开始了。１９２５　年Ｄｏｎｆｏｒｔｈ，１９３５年Ｔｏｌｄｔ分别对毛进行了分类研　究　；１９７９年Ｏｒｔａｎｏｓ还出版了研究毛的专著。。］。但　有关毛的形态与其功能特性的研究还很少。基于此，　本文对人发及另外１４种哺乳动物的毛发的细观结　构形态进行丁分类与分析，以期提供一些对研究开　发仿生功能材料有益的结构形态信息。　纤维沿轴向排列，因此每根毛发都具有有序的结构。　毛发性能就决定于　一螺旋的连接方式。　２结构与形态分析　２．１样本选择　根据所能采集到的一些哺乳动物的毛皮，共选　择了貂、狐、羊、猫、鼠、兔、狗、狍、牛、驴、獾、熊、人、　猪、马ｌ５种ｌ５个毛发实验样本。经技术处理后通过　Ｏｘｆｏｒｄ　ＩＳＩＳ　３００　Ｘ—ｒａｙ能量分析仪（Ｅｎｅｒｇｙ　１毛发构成　角蛋白是蛋白质的一大类，是构成脊椎动物皮、　毛、角、蹄的主要成分。人们对人发和羊毛中的角蛋　白研究较多跚。头发具有分级结构嘲。分级结构中的　收蔷日期：２００１—０９一ｉ７　基垒项目：国家自然科学基金重点资助项目（５９８３５２００）　Ａｎａｉｙｓｅｒ），ｅｉｋｏ　ＩＢ５型离子衍射仪及３ＸＡ一８４０型扫　描电镜（ＳＥＭ）得到样本照片如图ｌ至图ｌ５。　２．２分类原则与结果　根据毛发样本的表面结构形态特征，将貂与狐　的毛发表面结构称为指状结构；将羊、鼠、兔毛发表　面结构称为芽状结构｝将猫、狗、狍、牛、驴毛发表面　作者茼舟　扬晓东（１９６５一）　博士生，副教授，长春市，吉林大学　地面机械仿生技术教育部重点实验室，１３００８５　结构称为波状结构；獾、熊、人发、猪及马尾毛发表面　结构称为鳞状结构。　维普资讯 http://www.cqvip.com

２２　农业工程学报　２００２挂　羹誉一　一　翟一●　一　一一图１３人发样本照片（鳞状）　图１４猪毛样本照片（弊状）　圜１５马尾样本醚片（鳞状）　Ｆｉｇ．１３　Ｍａｎ　ｈａｉｒ　ｍｉｃｒｏ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　Ｆｉｇ．１４　Ｐｉｇ　ｈａｉｒ　ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　Ｆｉｇ．１　５　Ｈｏｒｓｅ　ｍａｎｅ　ｍｉｃｒｏ—ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　（ｓｃａｌｅ　ｓｈａｐｅ）　（ｓｃａｌｅ　ｓｈａｐｅ）　（ｓｃａｌｅ　ｓｈａｐｅ）　２．３形态特征比较　从电镜照片看，貂与狐狸毛发表面具有明显的　１）指状结构　指状结构，它们直径在３０￣５０胂，指状单元的数目　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２期　杨晓东等：动物毛发的形态结构及其功能特性研究　沿圆周方向约为１Ｏ排左右，指长约４０　ｐｍ，排列方　式皆为两排间错开。其不同点在于貂毛的指状单元　尖部与底部宽度相差不大，具有较平滑的边缘，单元　间隙狭长，有较大的“淘槽空隙”；而狐狸毛发的指状　单元明显呈尖顶等腰三角形状，底部宽度远大于尖　部，其单元间隙较浅平，“沟槽空隙”不大。指状单元　的长宽比，貂毛约为６：１，狐狸毛约为４：１。　２）芽状结构　将具有花瓣芽孢状的羊、灰鼠、兔毛归结为芽状　则排列的基质相中。貂的毛皮具有相当好的疏水性，　水与其接触角远大于９ｏ。，狐狸毛皮与水的接触角　也比较大，因而也具有良好的疏水性。这与其表面结　构单元形态密不可分，指状单元间的“沟槽”有利于　水珠“顺流而下”，其他３种单元的结构形态不如指　状结构，其疏水性依次减弱，亲水性依次增强。　３．３柔韧性　柔软性由大到小的顺序为指状、芽状、波状和鳞　状，与其结构单元形态特征直接相关。单元长宽比越　小，其柔软性越差；反之，单元长宽比越大，其刚度就　越大　角蛋白的伸缩性能很好。在湿热条件下，一根　毛发可以拉长到原有长度的２倍而不断裂　角蛋白　的机械性能受其中吸附水的含量影响很大。以羊毛　为例，在不同湿度下的应力应变曲线的起始部分都　完全是弹性的，具有相同的斜率。对应的弹性模量约　为４　ＧＰａ，其次屈服点出现在应变力为０．０２处。其　屈服过程是相邻ａ一螺旋间的氢键被破坏的结果　一。　结构　它们　径一般在２０￣４０　ｍ，沿周长方向“芽　孢”单元分布数目２～３个。芽孢单元的轴向间距为　ｉ０　ｐｍ左右，芽孢单元的形状似圆头锹面，没有明显　的尖部，且尖部与底部宽度变化较缓。芽状单元的长　宽比，羊与鼠毛约在０．５：１，兔毛约在１：ｌ。　３）波状结构　具有波纹形状的表面结构单元的有猫、狗、孢、　牛、驴的毛发，它们的直径一般在２０￣５０　ｍ之间，　波状单元宽度几乎横绕毛干全周，每一渡状单元轴　向间距５　ｍ左右，波状单元的长宽比很小，有的波　形不十分规则。　４）鳞状结构　４结语　本文首次对人发与１４种哺乳动物毛发的细观　结构形态作了对比分析。根据毛发表面结构形态的　特征，将其分为指状、芽状、波状和鳞状４类　它们的　獾、熊、人发、猪及马尾毛发表面结构形似鳞片，　称为鳞状结构。它们通常具有比较清晰的界限轮廓，　且边缘线比较硬直，有坚硬感。鳞片的大小及分布规　则性不强，有凌乱感。鳞片单元的轴向间距大致在　ｌ０　ｍ，看不出有明显的长宽比　单元长宽比由大到小，毛发的保温性、疏水性与柔韧　性与其长宽比大小相一致，即指状结构在保温、疏水　和柔韧性优于芽状、波状及鳞状结构。这一信息对研　究开发具有良好保温、疏水和柔性功能仿生结构材　３功能特性分析　３．１保温性　料有重要参考价值　［参考文献］　毛皮的保温性能除与其密度有一定关系外，与　［Ｉ－侯晖昌．减阻力学ＥＭ］．北京：科学出版社，ｌ　９８７．　［２］科技点滴［ｊ］．新华文摘．２０００，（３）：１６０．　［３］王云鹏．柔性非光滑减粘脱附的仿生研究－Ｄ］．长春：　吉林工业大学，ｌ９９７．　［４］任露泉，杨晓东，佟金．动物皮毛柔性减阻作用的试　验研究［Ｊ］．中国机械工程．２０００。１１（１１）；ｌ２７２　１２７３．　［５３杨晓东，任露泉　仿生柔性减阻系统模型及其实验研　究ｌＪ］．中国机械工程２００１，１２（８）：　Ｅ６３景钕岩，张版社，ｌ　９９５．　其细观结构形态有很大关系。貂毛表面指状结构单　元与其毛干问具有剥离间隙，像是在毛千周围分布　一些“枝干”一样，这一点是其具有极好柔性与保温　特性的重要原因。因为较大的空隙可以贮存空气，减　缓空气流动速度，热交换的速度也降低了。不同的表　面单元形态决定了其保温性能的差异。一般情形下，　保温性能由好到差的顺序为指状、芽状、波状和鳞　状。　伟．毛皮学［Ｍ－。哈尔滨：东北林业大学出　３．２疏水性　［７］崔福斋，冯庆玲．生物材料学［Ｍ］．北京：科学出版社，　ｌ９９７．　角蛋白是构成动物毛发的主要成分，许多动物　毛发表面具有蜡质层ＥＯ　含水量增大可以显著减小　持续应力。头发在相对湿度从０增大到１００　的情　况下，轴向肿胀仅有１　，而杨氏模量与切变模量的　比值从２．７：１（表明有部分各向同性的性质）减小　Ｅｓ３　Ｓｔｅｎｎ　Ｋ　Ｓ　ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｂｉｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈａｉｒ　ＥＭ３．Ａｎｎａｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖ　６４２，ｌ９９１．　［９］Ｏｒｔａｎｏｓ　Ｃ　Ｅ，ｅｔ日１．Ｈａｉｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｍ］Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ—Ｖｅｄａｇ　Ｐｒｅｓｓ，１９７９．　到０．５；１（完全是各向异性材料）口］　由此推断，水　并没有进入规则排列的　螺旋部分，而是进入无规　维普资讯 http://www.cqvip.com

农业工程学报　２００２盘　Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ａｎｉｍａｌ　Ｈａｉｒｓ　Ｙａｎｇ　Ｘｉａｏｄｏｎｇ，Ｒｅｎ　Ｌｕｑｕａｎ　（Ｔｈｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｔｅｒｒａｉｎ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｂｉｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｊｉｌｉｎ　Ｌ；ｎｉｖｅｒｓｉｔｙｔ　Ｍｉｎｉｓｔｙｒ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１３００２５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈａｉｒｓ　ｏｆ　ｍａｎ　ａｎｄ　１４　ａｎｉｍａｌｓ，ｉ．ｅ．，　ｍａｒｔｅｎ．ｆｏｘ，ｇｏａｔ，ｍｏｕｓｅ，ｒａｂｂｉｔ，ｅａｔ，ｄｏｇ，ｒｏｅ　ｄｅｅｒ，ｏｘ，ｄｏｎｋｅｙ，ｂａｄｇｅｒ，ｂｅａｒ，ｐｉｇ　ａｎｄ　ｈｏｒｓｅ，ｗｅｒｅ　ｅｘａｍｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｚｅｒ，ｅｎｅｒｇｙ　ａｎａｌｙｚｅｒ　ａｎｄ　Ｘ—ｒａｙ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．Ｔｈｅｓｅ　ｈａｉｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　４　ｃｌａｓｓｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｌｅｄ　ｆｉｎｇｅｒ—ｓｈａｐｅ，ｓｐｒｏｕｔ—ｓｈａｐｅ，ｗａｖｅ—ｓｈａｐｅ　ａｎｄ　ｓｃａｌｅ—ｓｈａｐｅ，　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｈａｉｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｎｉｍａｌ　ｈａｉｒ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｕｎｓｍｏｏｔｈｅｄ　ａｎｄ　ｒｏｕｇｈ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐａｔｔｅｒｎｓ　ａｎｄ　ｓｉｚｅｓ．Ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ，　ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｅ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒ—ｓｈａｐｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｈａｉｒｓ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ　ｔｈａｎ　ｏｔｈｅｒ　３　ｃｌａｓｓｅｓ　ｉｎ　ｈｅａｔ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ．　ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｕｒ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｌａｙｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｎｅｗ—ｔｙｐｅ　ｂｉｏｎｉｃｓ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｎｉｍａｌ　ｈａｉｒ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ；ｈｅａｔ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ；ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　计分析，进而按照客观数据对期刊进行评价排序。　居榜首，与农业类名牌期刊尚有较大差距。　寰１　１９９８～２０００年《农业工程学报》检索指标　年度　总被引额次。　影响因子。　即年指标　地区分布数　基金和资助论文比倒　海外作者论文数　备注：　１９９８　１８３　０．１３２　０．０７０　２４　０．３８　“＊”为较重　要指标；　１９９９　２３４　０．１８９　０．０７８　２２　０．４９　６　本刊海外论　２０００　２８７　０．２３８　０．０７３　２３　０．５１　０　文薄弱　（本干Ｉ辑）