近日，航天学院复合材料与结构研究所王长国教授、王亚飞副教授团队在生物复合组织形态发生与仿生液体管理领域取得研究进展。相关成果以“Surface tension shapes the powerful water-conserving morphology of the trilayered rectal complex in insects”为题，发表于固体力学领域旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（Volume 218, 106859）。研究揭示了组织差异生长与腔内表面张力共同调控昆虫直肠复合体保水形态的力学机制。

昆虫能够适应干旱环境，与其高效的水分回收系统密切相关。直肠复合体由后肠、直肠周小管和围肾膜构成，其复杂的褶皱与乳突状结构为水分重吸收提供了形态基础。已有研究主要关注离子运输和水分转运等生理过程，而这些精细结构如何形成、为何呈现不同的空间形态，仍缺少系统的力学解释。

针对这一问题，团队将直肠复合体抽象为具有初始残余应力的三层超弹性圆柱，建立了耦合差异生长、应变硬化与表面张力的非线性形态弹性理论。模型通过变形梯度的三重乘法分解区分初始残余应力、生长与弹性变形，并采用非线性本构关系描述组织的应变硬化响应，将腔内表面张力通过Young–Laplace关系引入边界条件。

在此基础上，团队推导了表面曲率增量的解析表达式，结合线性扰动分析与表面阻抗矩阵方法，建立了失稳阈值和形态选择的定量判据。研究发现，表面张力能够重新分配不同失稳模态的临界生长阈值，其促进或抑制失稳的作用取决于组织厚度、层间刚度差异等条件。当轴向、周向及耦合模态的阈值接近时，表面张力可改变优先出现的褶皱模式。

图1 昆虫直肠复合体的演化分布、三层结构与弹性毛细作用

团队进一步构建了表面张力与层间刚度差异共同作用下的形态相图，预测了轴向、周向及耦合失稳区域，并与文献报道的不同昆虫直肠形态进行对照。三类代表性模态的有限元临界生长因子与表面阻抗法预测结果的偏差均小于1%。研究还揭示了初始残余应力、应变硬化、几何尺寸和载荷条件对失稳阈值的调控规律，为理解昆虫保水结构的形态多样性提供了力学依据。

图2 表面张力与层间弹模差异调控形态选择及其与生物观测对照

基于几何与毛细作用的耦合原理，团队进一步探索了具有几何梯度的仿生微柱表面，实现液滴定向输运，并开展了汗液管理电极的初步验证。在所展示的出汗条件下，仿生电极可引导汗液扩散与排出，保持较稳定的心电信号。这一概念验证为仿生液体管理材料与可穿戴生物电子界面设计提供了思路。

图3 几何与毛细作用耦合启发的液滴输运和仿生汗液管理电极

航天学院复材所王亚飞副教授为论文第一作者与共同通讯作者。研究由哈尔滨工业大学、南方科技大学、浙江大学及爱尔兰高威大学的研究人员合作完成，得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、深圳市基础研究计划和哈尔滨工业大学神舟青年学者基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2026.106859

发布：王兵

作者：王亚飞

审核：宋广平