编辑推荐：
陆地哺乳动物持续受到昆虫侵扰，而耳朵是昆虫侵入的薄弱部位。与其他通过分泌黏液或泪液来清洁自身的体腔不同，耳朵看似毫无防御能力。它是如何阻止入侵者的？研究人员假设耳垢（earwax）充当一种光滑的屏障，防止昆虫爬入耳道。在这项实验与理论相结合的研究中，研究人员证
陆地哺乳动物持续受到昆虫侵扰，而耳朵是昆虫侵入的薄弱部位。与其他通过分泌黏液或泪液来清洁自身的体腔不同，耳朵看似毫无防御能力。它是如何阻止入侵者的？研究人员假设耳垢（earwax）充当一种光滑的屏障，防止昆虫爬入耳道。在这项实验与理论相结合的研究中，研究人员证明耳垢既光滑又具有粘附性。蚂蚁在涂有耳垢的表面上攀爬困难，且难以从身体上清除耳垢。这些现象源于耳垢的亲水性（hydrophilic）、多孔性（porous）和粘弹性（viscoelastic）特性，研究人员通过显微镜观察、流变学测量、蚂蚁行为实验以及人工耳垢（artificial earwax）的制备对这些特性进行了研究。研究人员还证明，耳垢的老化过程使其变脆，从而在10周的时间尺度内促进其自行脱落。这项研究可能对设计生态友好的昆虫屏障有所启发。
**论文解读：耳垢作为天然昆虫屏障的物理机制研究**
**一、研究背景与问题提出**
哺乳动物的眼、鼻等体腔通过泪液和黏液持续清洁自身，而耳道这一狭长盲端缺乏此类流体冲刷机制。耳垢（earwax）虽为耳道内的分泌物，但其物理特性及在防御昆虫入侵中的作用长期未获阐明。临床上，昆虫误入耳道并非罕见，蚂蚁、蜱虫、甲虫、蟑螂等节肢动物均曾被报告从人体耳道中取出；活体节肢动物可叮咬、抓挠耳道皮肤和鼓膜，引发疼痛、感染甚至听力损伤。然而，耳垢是否真正具备驱避昆虫的能力？其力学与化学机制为何？耳垢如何避免自身过度堆积而保持屏障功能？这些问题此前缺乏系统的物理学研究。本研究旨在通过实验与理论手段，揭示哺乳动物耳垢的结构、粘弹性、吸水行为及老化过程，并检验其作为昆虫入侵屏障的有效性。
**二、研究设计与关键方法**
研究人员从猪、羊、犬、牛、兔和人类获取共36份耳垢样本（来源见表S1，实验项目见表S2），使用显微镜、CT扫描和扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，采用能量色散谱（EDS）测定元素组成。蚂蚁攀爬实验以红火蚁（*Solenopsis invicta*）为模式生物，在清洁与耳垢包被的玻璃表面及烧杯屏障中测试攀爬速度与逃逸成功率。粘附力通过微压痕仪测量离体蚂蚁腿部与耳垢及玻璃珠之间的最大拉脱力。蚂蚁被耳垢包覆后的行为通过铝箔夹层实验记录，并用SEM观察体表残留。流变学测试使用旋转流变仪进行稳态剪切和振荡扫描，以测定耳垢的粘弹性参数。吸水实验通过显微录像记录水滴在耳垢表面的吸收时间，并用Washburn定律建立理论模型。自然干燥实验持续10周，测量耳垢液体含量变化；应力松弛实验利用万能试验机（UTM）在不同含水量下压缩耳垢，研究其脆化行为。人工耳垢采用壳聚糖纤维、聚乙二醇（PEG）和硫酸钙等复合制备，以模拟天然耳垢的形貌与化学性质。
**三、研究结果**
**耳垢的结构特征**
显微镜与SEM观察显示，耳垢具有分级多孔结构，特征尺度约为10 μm，孔隙率约15%，特征孔径约10 μm，长度可达100 μm。不同物种耳垢的密度均匀，平均为0.86 ± 0.067 g mL?1。CT扫描揭示耳垢内部含有碎屑和毛发，耳道内耳垢常沿耳毛形成网状结构。基于脂质含量估算，人耳单个耳道内耳垢平均厚度约0.1 mm，但实际分布不均，厚度介于0.15–1.9 mm。
**蚂蚁攀爬实验**
在清洁玻璃烧杯中，全部蚂蚁在10分钟内成功攀爬越过“终点线”；而当烧杯内壁涂覆0.5 mm厚耳垢后，蚂蚁逃逸时间延长至3小时，为清洁条件下的18倍。垂直烧杯中，耳垢表面的平均攀爬速度（0.26 ± 0.13 cm s?1）比玻璃表面低32%（p = 1.6 × 10??）；45°倾斜时降低51%（p = 7 × 10??）。当耳垢屏障存在6 cm缺口时，50只蚂蚁中35只选择穿过缺口而非跨越耳垢。将耳垢压平至0.01 mm厚后，48%的蚂蚁因前足接触即滑落而无法跨越。表面轮廓测量表明，粗糙耳垢的平均高度为0.5 mm，而平滑耳垢仅为0.01 mm，平滑化主要消除毫米级凸起，但毛发和碎屑仍维持百微米级粗糙度。
**蚂蚁粘附力测量**
微压痕仪实验显示，蚂蚁单足与耳垢的最大拉脱力为1.5 ± 0.84 μN（N = 5），六足合计约9 μN，约为体重的1.5倍；而与玻璃的粘附力达150 μN（N = 2），六足约为900 μN，两者相差近两个数量级。该结果与蚂蚁可轻松攀爬清洁玻璃而难以攀爬耳垢的行为一致。
**蚂蚁被耳垢包覆的行为与残留**
铝箔夹层实验中，接触清洁铝箔的蚂蚁逃逸时间为18 ± 1.6 s，行走速度0.80 ± 0.18 cm s?1，无梳理行为；接触耳垢包覆铝箔的蚂蚁逃逸时间延长至28 ± 2.0 s，行走速度降低至0.40 ± 0.10 cm s?1（p = 1 × 10?1?），并表现出频繁梳理行为，直线移动距离仅为清洁组的十分之一。SEM观察显示，即使梳理125 ± 28 s，蚂蚁体毛和关节处仍残留耳垢，而触角因梳理较彻底基本清洁。人工合成耳垢同样能粘附并阻碍蚂蚁逃脱，表明其复现了天然耳垢的包覆能力。
**材料流变学特性**
稳态剪切测试（兔耳垢，n = 3）表明耳垢为剪切变稀流体，符合幂律模型τ = 560γ??·1?，表观粘度随剪切速率增大而下降：低剪切速率（0.01 s?1）下粘度高达1 × 10? Pa·s，类似面包面团；高剪切速率（1 s?1）下降至170 Pa·s，类似猪油。振荡测试（羊、猪耳垢）显示损耗模量G″始终低于储能模量G′，相位角δ ≤ 45°，证明耳垢在测量频率范围内呈现粘弹性凝胶行为。在线性粘弹区（应变<0.001），复数模量随角频率增加而增大，复数粘度减小，进一步证实剪切变稀特性。蚂蚁步频约16 s?1（对应角频率约100 rad s?1）时，耳垢仍保持凝胶态，这可能影响蚂蚁的足部附着。
**吸水特性**
耳垢与水的接触角为60° ± 5°，呈亲水性，而石蜡等传统蜡质疏水。耳垢吸水能力可达自身重量的50%。水滴吸收实验获得经验关系t = 330V1·?（t为秒，V为微升）。基于Washburn定律的理论模型（孔隙r = 10 μm）预测吸收时间与体积的幂指数为2/3，且量级偏差50倍，故采用经验拟合。假设蚂蚁足垫分泌液滴体积为0.44 × 10?3 μL，计算得到耳垢吸收该液滴的时间约为0.15 s，与蚂蚁单足接触地面的时间（约0.063 s）接近。因此研究人员提出，耳垢的多孔结构可快速吸入蚂蚁用于湿粘附的足垫液，从而削弱其攀爬能力。
**耳垢的自清洁行为**
自然干燥实验中，新鲜耳垢液体含量为30%–35%，暴露于空气中10周后显著下降，而密封对照组仅从31%降至28%。人耳上皮迁移将耳垢向外推送的速度约1 mm/周，完全移出外耳道约需7–9周，与耳垢干燥老化的时间尺度吻合。应力松弛测试显示，新鲜耳垢（液体含量29%–35%）在压缩后表现出粘性流动，松弛时间约13 s；当液体含量降至0%–18%时，耳垢发生脆性断裂。最干样本的初始变形应力达500 kPa，而新鲜样本仅需139 kPa。这些结果表明，耳垢随液体蒸发逐渐变脆，在咀嚼、说话、跳跃等活动中易于碎裂脱落，从而为新产生的耳垢腾出空间。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，耳垢对蚂蚁的防入侵作用综合了两种相反的特性：其光滑多孔表面对蚂蚁足垫具有抗粘附性，但其粘弹性又使其能牢固粘附于蚂蚁体表，从而阻碍运动并诱发高强度梳理行为。这种“既防粘又强粘”的双重机制与猪笼草蜡质晶体及捕蝇纸等天然或人工屏障有相似之处，但耳垢的吸水机制更为独特。研究人员推测，耳垢吸收蚂蚁足垫分泌液可能是降低粘附的关键因素，但缺乏直接观测证据，需未来通过原位可视化实验验证。此外，耳垢与黏液等其他保护性生物流体一样具有剪切变稀特性，而其亲水性在生物蜡质中极为罕见，这可能与其在耳道内相对封闭的环境有关。该研究为设计生态友好的昆虫屏障提供了仿生学思路，并可能对临床上处理耳垢栓塞、耳垢替代物开发及生物标志物检测等应用有所启发。
研究结论可翻译为：本研究调查了耳垢如何阻止入侵的蚂蚁。研究人员观察到，相较于玻璃等其他表面，蚂蚁在耳垢上攀爬时移动更慢且跌落风险更高。通过微压痕仪测量离体蚂蚁腿部，证实了蚂蚁在耳垢上的粘附力显著降低。研究人员证明耳垢像海绵一样，能在与蚂蚁步幅相同的时间尺度内吸收液滴。由于蚂蚁依靠粘性液滴攀爬光滑表面，耳垢的海绵状吸收能力为干扰其攀爬提供了一种可能解释，但仍需直接测量液滴来确认。与现代害虫防治手段相比，耳垢结合了光滑表面（如某些涂料）与粘性涂层（如捕蝇纸）的双重特性——它既具有抗粘附性（阻止蚂蚁足垫附着），又对蚂蚁身体具有强粘附性。这些双重特性可能对生态友好型害虫防治具有应用价值。
