两种叶甲科昆虫分支粘附刚毛的四级剥离控制层级研究揭示生物附着新机制

研究人员针对叶甲科昆虫如何在复杂植物表面实现稳定附着的科学问题，开展了关于Criocerinae亚科两种叶甲（Crioceris asparagi和Lilioceris lilii）分支粘附刚毛（bifid adhesive setae）的形态学与功能研究。通过显微成像和力学分析，首次揭示了分支刚毛通过四级层级剥离控制机制实现动态附着，其双足印（double footprints）模式和内部纳米纤维网络为仿生粘附材料设计提供了新思路。该成果发表于《Zoomorphology》，为理解昆虫适应性进化提供了重要案例。

　　

在自然界中，叶甲科昆虫能够稳稳附着在光滑或粗糙的植物表面，这种非凡的能力一直吸引着科学家们的注意。尤其当这些体重仅几十毫克的小家伙在布满蜡质结晶的叶片上自由爬行时，其足部粘附系统展现出的精准控制力令人惊叹。然而，传统研究多集中于非分支结构的粘附刚毛，对于Criocerinae亚科叶甲特有的分支状刚毛（bifid setae）如何协同工作仍存在认知空白。

德国基尔大学（University of Kiel）的Dagmar Voigt与Stanislav Gorb团队在《Zoomorphology》发表的研究，首次系统解析了两种重要农业害虫——芦笋叶甲（Crioceris asparagi）和百合叶甲（Lilioceris lilii）的分支粘附系统。研究发现这些体长仅5-7毫米的昆虫，竟通过四级层级剥离控制机制实现动态附着，其分支刚毛产生的"双足印"效应可显著增强附着稳定性。该成果不仅解释了叶甲在寄主植物上的卓越运动能力，更为新一代仿生粘附材料的设计提供了生物学蓝图。

研究人员综合运用冷冻扫描电镜（cryo-SEM）、透射电镜（TEM）和反射对比显微镜等技术，对活体昆虫的附着行为、刚毛超微结构及足迹分泌物进行了多尺度分析。通过形态测量学（morphometry）量化比较了两种叶甲不同性别个体间刚毛数量、尺寸等参数差异，并结合野外观察记录其在不同植物表面的运动姿态。

【形态与超微结构】电镜观察揭示分支刚毛终端呈独特的V形分叉结构，每个分支终端宽度仅2-3.5μm，厚度约550nm，与非分支刚毛终端具有相似的 spatulate（铲状）和lanceolate（矛状）形态。内部纳米纤维束以44°倾角排列，形成分级网络结构（hierarchical network），这种构造赋予刚毛优异的柔韧性和适应性。特别值得注意的是，刚毛基部通过3μm宽的纤维关节（fibrous joints）与跗节连接，这种可活动连接是实现动态附着的关键。

【双足印现象】反射显微镜和冷冻电镜首次捕捉到分支刚毛产生的特征性"双足印"（double footprints）模式，每个分支独立分泌厚度226.7±87.57nm的粘液膜。这种接触分裂（contact splitting）效应使C.asparagi和L.lilii的总剥离线（peeling line）分别达到9.5mm和26.3mm，较非分支状态提升3-4倍。

【四级层级控制】研究提出创新的四级剥离控制模型：（1）三对足的反向运动；（2）双叶状跗节（bilobed tarsomeres）的对抗剪切；（3）分支刚毛终端的V形作用；（4）内部纳米纤维的协同取向。这种多级系统通过自稳定机制（self-stabilization）优化附着性能。

【功能适应性】体型较小的C.asparagi（5mm，12mg）具有更密集的窄型刚毛（2.0-2.5μm），适合抓握芦笋的针状叶；而较大的L.lilii（6mm，27mg）则具有更多宽型刚毛（3.5μm），适应百合的宽叶面。这种形态差异印证了"体型-底质"协同进化假说。

该研究首次完整揭示了分支粘附系统的层级控制原理，突破性地证实了双足印效应在增强附着稳定性中的作用。分支结构通过增加接触点数量而不扩大跗节面积，实现了材料与能量的优化配置，这种策略为微型机器人抓取机构的设计提供了仿生模板。文中提出的四级剥离控制模型，为理解生物附着系统的动态调控开辟了新视角，相关发现已应用于农业害虫防治策略的优化。正如作者强调的，这种"少即是多"（less is more）的设计原则，或将引领下一代仿生粘附材料的技术革新。