Китайські інженери з'ясували роль волосин на поверхні бджолиного черевця - виявилося, що вони знижують контакт між черевними платівками, тим самим знижуючи тертя між ними. Це дозволяє бджолам здійснювати телескопічні рухи черевцем з економією 40 відсотків енергії на силі тертя. Для теоретичного опису поверхні черевця вчені розробили модель упруго-пластичної деформації волосатих поверхонь - волосини виступають в ролі пружних амортизаторів. Стаття опублікована в журналі
Бджоли при своєму русі телескопічно витягують своє черевце за допомогою складчастої міжсегментної мембрани. Вже відомо, що для зниження тертя поверхня їх тіла покрита воском, що виділяється з залоз. Однак не тільки густа мастила допомагає справлятися з небажаним тертям. Надихаючись роботами, присвяченими структурі поверхні жуків, вчені вже отримали покриття зі структурно зниженим тертям. Такі покриття допоможуть при розробці матеріалів, при експлуатації яких сухого тертя не уникнути (наприклад, у вакуумних установках).
Мін'юе Ван (Mingyue Wang) з колегами з Пекінського інституту технологій і університету Цинхуа вивчив волосини на поверхні бджолиних черевиків. Як об'єкти спостереження вчені вибрали кілька бджіл з місцевої лабораторії. Для того щоб поспостерігати рух черевних сегментів, вчені закріпили голову і груди бджоли. За один цикл згинання черевця довжина п'ятого сегмента змінювалася з 385 до 1004 мікрометрів, при цьому середня відстань між п'ятим і шостим сегментом змінювалася в проміжку 0-600 мікрометрів, що підтверджує високу ймовірність тертя, якби у бджіл не було для цього спеціального механізму.
Після природної смерті бджоли вчені відсікли черевець від решти тіла. Вони були промиті в розчині фосфатного буфера при обробці ультразвуком, щоб змити залишки пилу і пилку. Потім брюшки додатково промивали і зневоднювали за допомогою етанолу, після чого вони були піддані десфікації і покриті шаром золота для можливості зйомки електронним мікроскопом. Під час зйомки вдалося встановити розміри волосин: у довжину - 100-200 мікрометрів, а в товщину до 6 мікрометрів. При цьому волосини гілилися від 10 до 30 разів, а щільність волосин на поверхні виявилася рівною приблизно 150 волосин на квадратний міліметр.
Для визначення сили тертя вчені провели експеримент за допомогою атомного силового мікроскопа. До зонду кріпився квадратний зразок спинки бджоли, а в якості поверхні тертя була обрана волосата поверхня і контрольна гладка поверхня. У загальному випадку при однаковому навантаженні тертя по волосатій поверхні виявилося менше, ніж по гладкій поверхні.
Щоб встановити, як волосини знижують тертя, вчені розглянули механічну модель. Контакт між сегментом черевця і плоскою поверхнею є пластичним, тоді як з волосатою поверхнею упруго-пластичним. До того ж, виходячи з карти контактів, контакт з гладкою поверхнею є по всій площині, а з волосатою поверхнею - тільки по зрізу волосин. При розрахунку стало ясно, що внесок пластичних деформацій на волосатій поверхні виявився нижчим, ніж з плоскою поверхнею - тобто волосини виступають як пружні амортизатори.
Для того щоб оцінити енергію, що зберігається при зниженні тертя, інженери розрахували середню силу тертя в 6 сегментах, а також оцінили кількість інтервалів скорочення за 18 днів (ауд 622 тисячі скорочень черевця). З ростом навантаження виграш по енергії між волосатою і гладкою поверхнею тільки збільшується. При бджолиних навантаженнях волосини допомагають скоротити тертя на 40 відсотків і зберегти 0.69 міліджоуля. Вчені сподіваються, що нанесення пружних мікроволосків на поверхні м'яких пристроїв дозволить підвищити їх зносостійкість.
Мікроволоски можуть не тільки знижувати тертя між поверхнями, але і збільшувати адгезію за рахунок Ван-дер-Ваальсового взаємодії. Цим користуються геккони і переймають досвід інженери, що створюють на подібних ефектах більш чіпкі актуатори.