黄蜂和蜜蜂毒刺设计如何有助于缓解疼痛

下次你被黄蜂或蜜蜂叮咬时，请考虑一下设计优雅的毒刺，它会给你带来如此多的痛苦。在一项新的研究中，研究人员发现，这两种物种的尖刺在尖端比底部柔软约五倍，以便更容易刺穿你的皮肤。当你在痛苦中咆哮时，它们会更加靠近昆虫的身体，因此它们不会弯曲太多或者断裂。

“黄蜂和蜜蜂开始时不想创造太多的痛苦，而且我们相信较软的尖端使你不太可能注意到最初的插入，”俄亥俄州着名学者Bharat Bhushan和Howard D. Winbigler教授说。的机械工程在俄亥俄州立大学。“如果你立即感受到疼痛，你会在完成注射毒液之前做出反应并将昆虫甩掉。”

Bhushan与印度理工学院(IIT)的同事一起进行了这项研究，该研究由机械工程副教授Navin Kumar领导。它于2018年10月8日在Nature Scientific Reports上发表。

科学家在IIT附近收集了黄蜂(Vespula vulgaris)和蜜蜂(Apis cerana)。他们使用复杂的三维成像技术(一种测量硬度和弹性的工具)和数值模拟来计算最有效的穿透角度，从而以前所未有的细节检查了托管架。

“当你真正研究这些刺痛时，你会看到它们是多么优雅和机械耐用，”Bhushan说，他意识到“优雅”可能不是一个人被蜇后想到的第一个字。

“其他的话可能首先浮现在脑海中，”他笑着说。“但是当你从工程师的角度看待它时，这些刺针确实设计得很优雅。”

蜜蜂和黄蜂的毒刺在某些方面有所不同。例如，黄蜂是弯曲的，而那些蜜蜂是直的。但他们有很多共同之处。

在这两个物种中，刺手都有两个从刺针末端伸出的锯齿状刺血针(想象针)。刺血针来回移动以刺穿皮肤。两者之间的通道提供毒液。

成像显示，在保持强度的同时，趾骨具有中空空间以减轻重量。

“这是一个聪明的设计，可以优化刺的机械性能而不会太重，”Bhushan说。

除了尖端更柔软外，研究表明，尖刺的尖端弹性比基部高7倍。

“沿着托管长度的硬度和刚度的差异有助于确保它能够在保持其结构的同时尽可能深地穿透，”他说。

研究结果表明，蜜蜂和黄蜂可能不会直接撞到一个人的皮肤上。研究人员计算出，最有效的穿透角度是蜜蜂毒刺为6度，黄蜂毒刺为10度。这些是最能保持刺的结构稳定性的角度。

在之前的一项类似研究中，Bhushan和他的同事研究了蚊子的长鼻，即刺穿皮肤吸血的部分。为什么对昆虫的迷恋刺穿了我们的皮肤?

作为一名从事自然灵感设计产品的工程师，Bhushan有一个实际的理由。他相信科学家们可以通过模仿蜜蜂，黄蜂和蚊子的一些设计元素，为医疗目的设计一种更好，无痛的微针。

例如，他认为针头应设计成在尖端更柔软，以减轻插入时的疼痛 - 就像昆虫的尖尖部分一样。医疗保健从业者甚至可以利用这项研究的最佳角度进行刺针插入，以指导他们使用新的微针。

“我们试图通过想象设计更好的微针来将我们学到的关于昆虫叮咬的知识用于生产用途，”Bhushan说。