功能梯度有助于大象触须的触觉感知

《SCIENCE》：Functional gradients facilitate tactile sensing in elephant whiskers

大象鼻尖的毛发存在从基部长而厚、多孔坚硬到尖端细而圆、致密柔软的梯度结构，通过微CT、电子显微镜和有限元分析发现，这种三维渐变结构能增强触觉信号定位能力，同时提高机械强度，为仿生触觉传感器设计提供新思路。

　　

编辑总结

像猫和老鼠这样的哺乳动物利用胡须来感知周围的环境。在老鼠身上，短胡须和长胡须会以不同的频率振动，当这些由角蛋白构成的纤维接触到附近物体的边缘和表面时，有助于老鼠绘制出周围环境的地图。大象也有胡须，这些胡须沿着它们的鼻子分布。Schulz等人使用微计算机断层扫描成像、电子显微镜、机械测试和有限元分析来研究这些胡须的结构和特性。在鼻子的基部，胡须粗壮、呈圆形且多孔、质地坚硬；而随着向尖端延伸，胡须逐渐变细、呈卵形、密度增加且变得柔软，这与大多数其他哺乳动物的胡须特征不同。这种结构和形态的结合有助于增强传递到鼻子中的信号强度。——Marc S. Lavine

结构化摘要

引言

动物进化出了多种感觉系统，帮助它们穿越复杂的地形、寻找食物和探测捕食者。许多陆地和水生哺乳动物利用被称为“胡须”的特殊感觉毛发作为主动的触觉器官来监测周围环境。每个胡须的基部都包裹着一个毛囊，其中含有机械感受器，这些感受器会对胡须的物理刺激作出反应，从而扩展动物的触觉范围。大多数研究集中在胡须-毛囊结构的几何形状和/或神经力学如何影响触觉灵敏度上。本研究分析了胡须内在特性的变化，包括其多孔性和硬度沿胡须长度的变化。

研究背景

无骨的大象鼻子上分布着大约1000根胡须，这些胡须扩展了这一高度灵活附属器官的感觉范围。与老鼠和小鼠不同，大象的胡须没有能够实现典型“摆动”动作的局部肌肉，而且它们也不能再生，因此我们推测它们在其他基本特性上也可能存在差异。本研究采用了多种精确的测量方法来描述亚洲象（Elephas maximus）胡须的几何形状、多孔性和硬度，并通过机械模拟来探讨这些特性如何影响鼻子的触觉功能。

结果

我们测量了大象胡须从基部到尖端的几何形状、多孔性和材料硬度，并将这些数据输入到我们的开源、可定制的有限元模型中，该模型允许胡须特性沿长度方向变化。随后，我们利用这一模型将大象胡须与老鼠胡须进行了比较：老鼠胡须的硬度在其整个长度上保持均匀。相比之下，大象胡须具有三个独立的功能梯度。大象胡须的几何形状呈逐渐变细的卵形截面，这有助于鼻子在穿过障碍物时弯曲。大象胡须的多孔性表现为内层皮层中的中空管状结构；这种类似角状的微结构从基部延伸到柔软的尖端。多孔的基部具有减轻重量和抗冲击的功能优势，类似于盘羊的角。我们的硬度分析显示，大象胡须的硬度从基部的2.99 GPa逐渐变为尖端的0.0706 GPa，跨度达到了两个数量级。虽然大象体毛的硬度从基部（2.20 GPa）到尖端（1.15 GPa）基本保持不变，但这种硬度梯度为大象胡须带来了两个关键优势：在大变形时减少基部应力，并沿胡须长度放大信号差异，从而增强了接触位置的识别能力。

结论

亚洲象胡须的几何形状、多孔性和硬度梯度似乎经过优化，以增强触觉感知能力。它们逐渐变细的卵形截面增加了与表面的相互作用，使弯曲方向更加可控；从多孔的基部到密集的尖端的转变减轻了重量，提高了胡须的共振频率并减少了断裂风险；而从坚硬的基部到柔软的尖端的转变则增加了尖端的弯曲程度，有助于更好地识别接触位置。大象胡须中同时存在的这三个功能梯度共同体现了其物理智能，扩展了我们对触觉的理解，并可能为人工触觉传感技术提供新的灵感。

在浏览器中打开

功能梯度赋予了大象胡须物理智能。

与老鼠的胡须不同，大象的胡须缺乏进行局部运动的毛囊肌肉，我们推测这可能导致胡须材料的组织结构更加独特。多尺度材料分析显示，大象胡须从多孔的坚硬基部逐渐过渡到密集的柔软尖端。模拟结果表明，这些梯度在重量、坚固性和接触位置识别方面具有显著的功能优势。

摘要

角蛋白复合材料使动物能够用蹄子行走、用羽毛飞行以及用皮肤感知周围环境。哺乳动物的胡须是由角蛋白构成的细长棒状结构，附着在触觉皮肤上，从而扩展了动物的感觉范围。我们研究了覆盖亚洲象（Elephas maximus）鼻子的胡须，发现它们的几何形状和机械特性经过优化，能够通过编码胡须基部感受到的振动信号的幅度和频率来增强触觉感知。大象的胡须从坚硬的、多孔的、圆形的基部延伸出来，最终变为细长、呈卵形且柔软的尖端。这种几何形状、多孔性和硬度的功能梯度独立调节了大象鼻子触觉的神经力学特性，使得鼻子能够进行高度灵活的操作，同时保证了胡须的耐用性。