昆虫足的超微结构研究

论文总字数：13920字

摘 要

昆虫足垫的吸附性大致分为刚毛型和黏性吸附型。刚毛型是指足垫上覆盖一层相对较长能适应表面轮廓的可变形刚毛；黏性吸附型是指足垫光滑、软且能分泌黏液以吸附在表面上。本实验利用扫描电子显微镜观察双翅目、膜翅目和直翅目中几种常见昆虫足的超微形态结构，研究昆虫足上刚毛和爪垫的作用机理。结果发现不同目昆虫足的超微结构存在较大的差别，但每种昆虫都含有尖锐的爪和长而可变形的刚毛等结构。黑带食蚜蝇和大头金蝇的足表皮上覆盖微小绒毛状的结构，刚毛的数目和种类也较多；黄蜂和意大利蜜蜂刚毛长且密度大；短额负蝗和疣蝗刚毛的数量少但含有表皮垫子。昆虫足与它们的生存环境相适应，希望本次研究为仿生机器人设计、制造和应用提供一定的理论依据。

关键词：昆虫，足，刚毛，吸附，超微结构

Abstract:The adsorption of insect foot pad can be divided into bristle type and mucus absorption type roughly. The bristle type refers to the foot pad covered with relatively long deformable bristles and can adapt to the surface profile; The mucus absorption type refers to the foot pad smooth, soft and deformable and can adsorb on the surface. The several common insect legs of Diptera, Hymenoptera and Orthoptera are observed by scanning electron microscopy ultrastructure and the function of bristles and palmula are studied. The studies have found that each insect contains claws and bristles however,there are differences between the structures of different insect legs. Episyrphus balteata and Chrysomyia megacephaia’s legs are covered tiny fluffy bristles which are varied;Wasp venoms and Apis mellifera have long and density bristles;Atractomorpha sinensis and Trilophidia annulata have little bristles but contain the epidermis cushion. The structure of insect legs are adapted their survival environment very well, and can provide some theoretical foundation on the design, manufacture and application of bionic robot.

Keywords： insect, leg, bristle, adsorption, ultrastructure

目 录

1 前言 4

1.1 昆虫足的结构 4

1.2 昆虫足的分类 4

1.3 昆虫足的吸附机制 5

1.3.1 刚毛型吸附 5

1.3.2 表皮垫型吸附 6

1.4 昆虫足的研究意义 6

2 实验材料与方法 7

2.1实验材料 7

2.2实验方法 7

2.2.1昆虫的采集 7

2.2.2昆虫的标本制作 7

2.2.3昆虫足扫描电镜样品的制备 7

3 实验结果与分析 8

3.1 昆虫种类的鉴定 8

3.2 不同目昆虫后足超微结构的比较 9

3.2.1 膜翅目两种昆虫后足的结构分析 10

3.2.2 双翅目两种昆虫后足的结构分析 12

3.2.3直翅目两种昆虫后足的结构分析 12

结 论 14

参考文献 15

致 谢 17

1 前言

昆虫足在上百万年的进化中获得了极佳的生物材料和设计特征，保证了昆虫能够在各种材料、质构、粗糙度的表面上停留或运动，甚至是倒悬的天花板上。实验发现，一些昆虫不仅能在光滑表面上自由行走^[1]，还能抵抗超过它们自身重力100倍的分离力。科学家对昆虫足的吸附机制研究表明，昆虫足垫的吸附性大致分为刚毛型和黏性吸附型，刚毛型是指昆虫的足垫上覆盖一层能适应表面轮廓，长度在几十到几百微米之间，直径为几微米的刚毛，有的是独立的一支，有的是呈树状的分支^[2]，如苍蝇、甲虫、蜜蜂和壁虎；黏性吸附型是指它们半圆形的足垫光滑、软且可变形能分泌黏液以吸附在表面上，如蚂蚁^[1]、蟑螂、蚜虫、蝴蝶、蛾、蚱蜢和螽斯^[4,5]。这些研究成果在粘性材料研制、摩擦机械学科、特种机器人的足掌设计以及仿生机械等方面取得了相应的应用，如德国的Case Western reserve大学的研究人员使用压力感应胶带作吸附垫,研制了一种不仅能在垂直壁面行走, 还能越过凹凸不平的表面^[1]的小爬壁机器人。美国的Sitti于2003年用硅胶或聚氨酯成功合成了人造刚毛^[7]，这些毛结构将可用在新型仿生干吸，微型空间和医疗机器人、爬壁机器人足掌等许多方面^[5]。

本次实验利用扫描电子显微镜观察了膜翅目的黄蜂、意大利蜜蜂，双翅目的黑带食蚜蝇、大头金蝇和直翅目的短额负蝗、疣蝗这几种常见昆虫足的超微形态结构，研究昆虫刚毛的形态和分布特征和足垫的形态结构，比较同种目和分析不同目昆虫足的超微结构。

1.1 昆虫足的结构

昆虫足主要由5节组成，每节是由能活动的关节和发达的肌肉相互连接。其中靠近胸部小窝又短又粗的一节是基节，它能支撑着整个足的活动的。第2节为短小多角形状，它能协调足转动方向，为转节。第3节长而粗壮，肌肉发达，能承受足的重力的是腿节。第4节长而细，且带刺的是胫节，它能支配足的活动。第5节叫跗节，通常有2-5个亚节，它的活动由胫节控制，跗节前端有能分泌粘液的弹性爪垫通常位于两爪之间，爪和爪垫之间相互啊协调使昆虫便于扒附光滑的物体，爪垫上还有感觉器官，通过接触物体产生感觉，决定它如何活动。

1.2 昆虫足的分类

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