无厘头研究
知了独特的尿尿姿势揭开流体动力学新篇章
科学家通过观察知了排尿，发现了两种关于昆虫排尿方式的长期假说并不成立，并提出了新的流体动力学框架，有望用于微型机器人等领域。
知了是夏日的代表性昆虫，它们的鸣叫声是夏日最常见的音符之一。然而，知了的尿液却比它们的鸣叫声更具特色。它们不像其他昆虫那样以滴状排尿，而是以喷射的方式排出尿液。
多年以来，佐治亚理工学院的研究人员一直想要了解知了这种独特的排尿方式。化学与生物化学工程学院的助理教授 Saad Bhamla 和他的研究团队希望有机会研究知了的液体排泄过程。
然而，知了虽然很容易听到，但却躲在树上，这让观察它们变得非常困难。因此，看到知了排尿是一件非常难得的事情。巴姆拉的团队之前只能在 YouTube 上观看这个过程。
后来，在秘鲁进行野外考察时，团队终于幸运地看到了大量知了在树上排尿。
这一观察结果足以推翻两个关于昆虫排尿的主要理论。首先，知了以木质部汁液为食，而大多数以木质部汁液为食的昆虫只会以滴状排尿，因为这样可以节省能量。然而，知了是如此贪婪的食客，如果逐个排出每一滴尿液，会消耗太多能量，而且无法从木质部汁液中提取足够的营养。
“之前的假设是，如果昆虫从滴状排尿转变为喷射排尿，会需要更多的能量，因为昆虫需要注入更大的速度，”Bhamla 实验室的前博士生、现任哈佛大学博士后研究员 Elio Challita 说。
其次，人们认为体型较小的动物会以滴状排尿，因为它们的开口太小，无法排出更粗的液体。然而，由于知了的体型较大，翼展可以与一只小蜂鸟媲美，因此它们以喷射的方式排出尿液反而会消耗更少的能量。
“以前人们认为，如果小动物想要喷射水流，这会变得有些困难，因为动物需要消耗更多的能量来以更高的速度排出液体。这是由于表面张力和粘性力。但体型较大的动物可以依靠重力和惯性力来排尿，”Challita 说。
知了喷射水的能力让研究人员对流体动力学如何影响这些微小的昆虫，甚至大型哺乳动物，有了新的认识。研究人员在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇简报，题为“从知了到大象：统一生命中的流体排泄”，对这一范式提出了挑战。
多年以来，该研究团队一直在研究不同物种的液体喷射现象，最终在 arXiv 预印本中总结了这一现象，从微小的真菌到巨大的鲸鱼。他们的框架揭示了多种功能，例如排泄、喷射毒液、捕食猎物、孢子传播和植物蒸腾作用，并突出了在软机器人、增材制造和药物输送方面的潜在应用。
知了是能够制造高速喷射的最小的动物，因此它们有可能为微型机器人/喷嘴制造提供参考。此外，由于它们的种群数量达到数万亿，它们的液体喷射对生态系统的影响是巨大的，但目前尚不清楚。除了仿生工程之外，Bhamla 还认为这些昆虫也能为生物监测应用提供参考。
“我们的研究绘制了动物排泄模式的图谱，涵盖了从微小知了到巨大象的八个数量级，”他说。“我们已经确定了支配这些过程的基本限制和力量，为理解排泄这一所有生命系统的关键功能提供了一个新的视角。这项工作不仅加深了我们对生物学功能的理解，也为统一生命基本过程的底层原理铺平了道路。”