灵感来自昆虫的微射流可以帮助蚂蚁和黄蜂呼吸

迅速缩小到bug大小(甚至更大)的能力给了蚁人和黄蜂巨大的优势。但它也有一些与规模相关的缺点，最明显的是呼吸困难。用昆虫为灵感的微型气泵、压缩机和分子过滤器，再加上虚构的“Pym粒子”技术，让他们的西装焕然一新吧!问题解决了。弗吉尼亚理工大学的生物工程师安妮·斯台普斯和她的研究生麦克斯·麦克尔-斯蒂特斯今年夏天在刚刚起步的《超级英雄科学与技术》杂志上发表的一篇论文中，首次提出了蚂蚁和黄蜂在被昆虫大小的环境下可能会面临的呼吸困难。(我能说我有多高兴这本日记的存在吗?)这个小组以昆虫为模型，研究微型呼吸作用。他们在乔治亚州亚特兰大举行的美国物理学会流体动力学分部会议上描述了他们的工作。作为漫威电影宇宙的粉丝，迈克尔-斯蒂茨对《蚁人》和《黄蜂》的上映感到兴奋不已。因此，去年春天在实验室里的一天，话题自然转向了超级英雄们在昆虫大小的环境下呼吸会有多么困难。

“把这种观点应用到蚁人和黄蜂身上似乎是一件很简单的事情，”迈克尔-斯蒂茨说。他无法停止思考我们的超级英雄们将不可避免地面临的呼吸问题。根据Kleiber定律(以生物学家Max Kleiber命名)，动物越小，新陈代谢效率越低。这可能是因为随着物体变小，表面面积与体积的比例会增加。史泰博解释说:“动物产生的热量与它们身体的体积成正比，而散热的热量与它们身体的表面积成正比。”“所以小动物，它们的表面面积与体积比高，散热速度快，不能保持温暖。为了弥补热量的损失，他们需要更高的代谢率。因此，小动物比大动物产生更多的热量和需要更多的氧气。当然，从漫威电影中还不清楚蚁人收缩的时候是否也会缩小。史泰博说:“有时他看起来像一个人——他摔倒了，摔碎了地板——有时他看起来像一只蚂蚁，当他骑在他的蚂蚁朋友蚂蚁托尼身上时。”“当人类缩小到昆虫大小时所经历的主观大气密度。”他们决定假设当蚂蚁和黄蜂缩小到昆虫大小时，它们的数量会缩小8个数量级。这意味着它们的总代谢率只会下降6个数量级。这意味着单位质量是人类大小的超级英雄的100倍，所以他们需要100倍的氧气来工作。“虽然昆虫和人类的实际大气密度是相同的，但人类缩小到昆虫大小时所经历的主观大气密度会发生变化，”麦克尔-斯蒂茨说。当斯科特·朗以正常大小吸气时，他会吸入一定量的氧分子。然而，当他缩小到蚂蚁大小时，他仍然需要同样数量的氧分子，但每次呼吸所吸收的氧分子却少得多。这相当于珠穆朗玛峰登山者在海拔7,998米的“死亡区”所经历的经历。

大多数人对这些症状的反应是通过更快的呼吸来吸入更多的氧气，即使只是为了避免因高原反应而引起的头痛和头晕。幸运的是，微流体设备——斯台普斯和她的团队开发的那种设备——可能会有所帮助。昆虫和人类进化出了非常不同的呼吸策略，这是由于它们生活的尺度大不相同。根据史泰博的说法，许多昆虫在呼吸时气管通道会坍塌。没有两种昆虫以完全相同的方式做到这一点，但它通常涉及腹部收缩引发塌陷。她说:“有时塌陷会以收缩波的形式沿着气管通道传播，有时塌陷发生在同一气管通道的不同位置。”弗吉尼亚理工大学团队的设备模拟了昆虫呼吸的这三个关键特征的不同组合。通过利用这些策略，该小组已经成功地建造了4台(迄今为止)受到昆虫启发的微型芯片实验室机器，使他们能够以极大的精度在小范围内控制流体，而不需要麻烦的阀门。一篇关于这项工作的论文即将发表，史泰博的同事Krishnashis Chatterjee在会上描述了一些初步结果。那么，微流体技术如何帮助我们的超级英雄朋友在更小的尺度下呼吸呢?为了弥补没有足够的吸力将空气吸入头盔的面罩，可以用一种叫做“克努森泵”的东西将空气泵入头盔。这依赖于不同的温度，通过许多矿物质的纳米级孔隙泵出气体(比如空气)。蚂蚁服和黄蜂服的内外肯定会有温差。

接下来，必须有一些压缩空气供应的方法，以使氧分子密度达到与海平面相当的水平(而不是珠穆朗玛峰的高海拔死亡区)。这是假设蚁人和黄蜂仍然保持着他们的人类群体。斯台普斯解释说:“压缩空气可以让它们在一口气吸入的空气中获得相同数量的氧分子。”“有许多微型压缩机技术可供使用，例如微型隔膜压缩机，可以机械或静电操作。”最后，添加一个分子过滤器(比如h过滤器)也可以帮助超级英雄应对增加的氧气需求。这种过滤器可以利用不同大小分子的不同扩散时间尺度，从空气中去除较小的非氧分子，增加相对氧含量。把这三种物质与Pym粒子结合起来——据说可以使原子和物质之间的距离减小或扩大，也可以操纵质量——你就有了解决呼吸问题的可行方案。斯台普斯的小组讨论了他们应该选择哪位超级英雄作为下一个进军漫画物理领域的目标。作为漫威的粉丝，米克尔-斯蒂特曾经力推迪勒，迪勒具有发光的超音波能力(想想螳螂虾强有力的爪子啪的一声所产生的声波，很明显)。但是大学生Afreen Khoja(和DC漫画公司)胜出了:他们将调查水动力学能力的Mera，水侠的亚特兰蒂斯公主。