절지동물 접착

Arthropod adhesion
집파리펄빌리의 전자 마이크로그래프, 그들의 발에 벽과 천장에 붙을 수 있게 해주는 미세한 털이 있는 패드

곤충과 거미를 포함한 절지동물들은 부드러운 접착 패드와 함께 비수평 표면을 따라 오르거나 이동할 때 털이 많은 패드를 사용한다.[1][2][3]곤충의 패드 두 종류 모두 액체 분비물을 사용하며 '습관'[3]으로 간주된다.건식 접착 메커니즘은 주로 반데르 발스의 힘에 의존하며 곤충 이외의 유기체에서도 사용된다.[4]이 액체는 모세관과 점성 접착을 제공하며 모든 곤충 접착 패드에 존재하는 것으로 보인다.[5]접착 액체의 화학적 특성에 대해서는 알려진 바가 거의 없으며, 유체 생성 셀의 초저구조도 현재 광범위하게 연구되지 않고 있다.[4]게다가 털이 많고 매끄러운 접착 형태는 곤충에서 따로 수없이 진화했다.[3][6]두 유형의 접착 메커니즘 간에는 거의 비교 연구가 수행되지 않았으며 곤충에서 이러한 시스템이 지탱할 수 있는 힘에 대한 정보가 부족하다.[3]게다가, 나무 개구리와 수목 주머니쥐와 박쥐와 같은 포유류들도 매끄러운 접착 패드를 사용한다.[1][2]비수평적 표면에 걸친 이동에 접착 패드를 사용하는 것은 다른 종에서 따로 진화하여 융합적 진화의 예가 되는 특성이다.[7]접착력은 이 유기체들이 거의 모든 물질에 오를 수 있게 해준다.[2]

절지동물 유착의 정확한 메커니즘은 일부 종에서는 아직 알려져 있지 않지만 이 주제는 생물학자, 물리학자 및 공학자들에게 매우 중요하다.[2][3][7]이러한 고도로 전문화된 구조물은 다리의 특정 부위에만 국한되지 않는다.그것들은 발톱, 프리타르의 유도체, 타르살 정점, 타르소메르 또는 경골과 같은 다른 부분에 위치할 수 있다.[6]스케일 분석을 통해 도마뱀, 거미 등 건접착에 의존하는 동물 라인은 곤충 등 습식 접착 메커니즘을 사용하는 시스템에 비해 단자 접촉 원소의 밀도가 높다는 제안이 나왔다.[6]이러한 효과는 기초적인 물리적 원리에 기초하고 구조물의 형태와 높은 연관성을 가지기 때문에, 비슷한 기하학적 구조를 가진 인공 표면에도 동일하다.[6]단위 패드 면적당 접착력과 마찰력은 시험했을 때 매끄럽고 털이 많은 시스템에서 매우 유사했다.[3]강한 유착은 많은 상황에서 유익할 수 있지만 또한 이동에 어려움을 초래할 수 있다.[3]방향 의존성은 이동 중에 빠르고 제어 가능하게 접착할 수 있는 접착제 구조의 중요하고 근본적인 특성이다.[3]연구자들은 접촉 부위의 변화나 전단 응력의 변화를 통해 방향 의존성이 달성되는지 확신할 수 없다.[3]대부분의 동물 부착 기관에서 마찰력과 접착력은 몸을 향해 당길 때 그들이 몸을 밀어낼 때보다 더 높다.[3]이것은 도마뱀붙이와 거미들뿐만 아니라 개미, 관목 크리켓, 바퀴벌레의 매끄러운 접착 패드에서도 관찰되었다.[3]도마뱀붙이의 접착 털은 비대칭이며, 근위부 당김과 정렬할 때 마찰과 접착력을 증가시킬 수 있는 세태와 주걱을 크게 가리키는 것이 특징이다.[3]어떤 딱정벌레의 접착성 털은 도마뱀붙이의 털과 비슷하게 작용한다.[3]다른 동물들에서는 방향 의존성이 존재하지만, 털이 많은 접착 패드를 가진 곤충에서는 아직 확인되지 않았다.[3]

5마이크로미터 미만의 표면 미세한 경로는 곤충의 부착력과 상승 능력을 강하게 감소시킬 수 있다는 것이 관찰되었으며, 이러한 부착력 감소 효과는 왁스 결정체를 만드는 다양한 식물 종에 쓰이게 되었다.[5]

접착성 화학 분비물은 또한 포식 방어, 짝짓기, 기판 보유, 달걀 고정, 건물 후퇴, 먹이 포획 및 자가 손질에도 사용된다.[4]

부드러운 운동용 접착 패드

매끄러운 접착은 유기체의 많은 제품군에서 독립적으로 진화해 왔으며, 이것은 서로 무관하게 보이지만 동일한 기능을 발생시키는 구조를 만들어낸다.[2]계통학적 분석은 절지동물의 접착식 구조가 여러 번 진화했다는 것을 보여준다.[1]개미, 벌, 바퀴벌레, 메뚜기 같은 유기체는 매끄러운 접착 패드를 사용한다.[1]이러한 유기체에는 아롤리아, 풀빌리, 유채와 같은 다양한 종류의 매끄러운 접착 패드가 있는데, 모두 극히 부드럽고 변형 가능한 큐티클을 가지고 있다.[1][2]일부 개미종의 아롤리아는 유체가 채워져 있는 것으로 관찰되었으며 접착력을 제공하기 위해 확장되고 수축된다.[1]귀뚜라미의 어초는 나무개구리의 발가락 패드와 비슷한 육각형의 미세구조를 가지고 있다.[1]일반적으로 곤충은 나노미터 두께의 접착액 필름에 의해 매개되는 곤충 접착 기관과 기판 사이의 접촉을 통해 표면에 달라붙을 수 있다.[2]매끄러운 패드의 일부 기능 원리(적응성, 점탄성, 압력 민감도)는 산업용 압력에 민감한 접착에서 알려진 것과 유사하다.[6]매끄러운 접착 장기는 "필러처럼" 이것은 표면으로 곰팡이가 피어나 거친 표면의 접촉 면적을 증가시키는 부드럽고 유체가 채워진 큐티컬 주머니를 가리킨다.[2]매끄러운 접착 시스템의 유체는 주로 거친 기판에 접촉하는 것을 최대화하는 역할을 하는 것으로 보인다.[3]매끄러운 패드의 내부 섬유 구조는 접촉 면적의 전단 유도 횡방향 증가 또는 인장력의 효율적인 전달을 위해 변형 능력이나 변형에 필수적일 수 있지만, 이 시점에서 그 특정한 기능은 알려져 있지 않다.[5]

이동용 털이 많은 접착 패드

절지동물의 털이 많고 매끄러운 패드 모두 표면과의 접촉량을 최대화하는 작용을 한다.[2]파리의 발바닥은 세태라고 불리는 유연한 머리모양 구조로 촘촘히 덮여 있고, 도마뱀이나 거미도 비슷한 털이 많은 패드를 사용해 접착 효과를 낸다.[2]이는 털이 많은 패드 접착에 유리한 설계를 나타낸다.[2]털이 많은 패드는 풀빌루스, 포슐라 스펀지오사, 테넌트 털로 분류할 수 있다.[4]털이 많은 부착 패드는 결함 내성, 오염에 대한 낮은 민감도 및 거칠기와 같은 다른 기능들을 거의 사용하지 않았다.[6]털복숭이 부착 시스템은 콜롭테라나 디프테라처럼 진화적으로 젊고 성공적인 곤충 집단을 위한 전형이다.[6]머리카락의 밀도는 체중이 증가함에 따라 증가한다.[6]털이 많은 시스템에서 부착 강도 증가는 단일 접촉 지점의 수를 증가시킴으로써 실현된다.[6]Coleoptera, Dermaptera, Diptera의 털이 많은 패드의 돌출부는 다른 종류에 속한다.처음 두 라인의 대표자들은 그들의 패드에 양말 달린 세타를 가지고 있다.[6]세태의 길이는 몇 마이크로미터에서 몇 밀리미터까지 다양하다.[6]디프테란 외생물은 아칸테로 단일 세포에서 유래한 단일 경화형 돌기이다.[6]아칸테는 안쪽이 비어 있고 일부는 단자판 아래에 모공이 있는데, 아마도 접착제 분비물이 접촉 부위로 직접 전달될 것이다.[6]환원된 벌레,[8] 파리, 딱정벌레의[10] 털이 많은 부착 패드는 접촉 부위로 액체를 분비한다.분비물에는 비휘발성 지질성 물질이 포함되어 있지만, 일부 종에서는 수용성 분수와 지질성 분수가 포함된 것으로 추측되는 2-phasic 에멀전이다.[6]분비물의 부피가 감소함에 따라 접착력이 강하게 감소하는데, 이는 말단판을 덮고 있는 패드 분비물의 층이 강한 매력적인 힘을 생성하는데 결정적이라는 것을 나타낸다.[6]자료에 따르면 반데르 발스와 쿨롱 힘 외에도 파리는 패드 분비에 의해 매개되는 매력적인 모세관 힘에 의존한다.[6]낮은 습도에서 접착력은 표면에 침전된 액체의 양에 따라 크게 달라지며, 따라서 접촉 지속시간에 따라 달라진다.[11]

털이 많은 패드 디자인은 거친 기판에서의 우수한 성능, 힘들이지 않는 분리, 자가 세척 특성, 접촉 분할에 따른 접착력 증가 등 부드러운 디자인에 비해 여러 장점이 있다는 주장이 제기돼 왔다.[3]

종종 건조해지는 개구리나 도마뱀 접착 패드와 달리 곤충들은 접착을 위해 관련 액체를 가지고 있는 경향이 있다.분비되는 액체는 친수성 물질과 친수성 물질의 불규칙한 혼합물로 구성되는 특수한 성질을 가지고 있다.[12]

접착식 풋패드는 몸통 쪽으로 당길 때만 붙지만 멀어질 때는 삐걱거려 힘들이지 않고 빠르게 분리할 수 있다.곤충은 발톱 굴곡근(cloke 휨근육)을 통해 이를 활발히 할 수 있지만, 대부분의 경우 발은 어떤 신경과 근육의 도움 없이도 수동적으로 부착하고 분리할 수 있다.(Bulock, Drechsler, & Federle, 2008)

곤충의 접착제 사용

접착성 화학 분비물은 포식 방어, 짝짓기, 기판 보유, 달걀 고정, 퇴각 구축, 먹이 포획, 자기 몸치장에도 사용된다.공격자를 물리치거나 기질 또는 짝짓기 파트너와 일시적으로 또는 영구적으로 붙이는 데 사용하는 구조물은 알, 애벌레, 번데기, 성인의 발달 단계에서 발견되었다.어떤 종은 먹이를 잡기 위한 접착제를 개발했고 어떤 종은 고치 건물에 접착제를 사용한다.머리의 접착샘은 구강 부분, 더듬이, 근위 침샘 또는 종별 특정한 분비샘을 포함할 수 있다.종종 복부에 위치하는 다양한 분비샘은 방어적 접착 메커니즘에 사용될 수 있다.[4]

곤충접착선

표피샘과 그 분비물은 매우 다양하고 그 기능이 다양하다: 불리한 환경 조건과 미생물 오염으로부터 보호, 물 균형 조절, 페로몬과 엘로케미칼과의 의사소통, 포식자와 기생충으로부터의 방어, 그리고 음식을 접근 가능하게 만든다.[4]

1급 표피세포는 지질이나 단백질 분비를 나타내는 특징을 가진 곤충의 접착제 글랜드 시스템을 위한 주요 선세포 유형이다.1급 운동용 지방분비 세포는 단백질과 탄수화물과 지질의 혼합물임에도 불구하고 가장 흔하다.좀 더 영구적인 신체나 난자 정착 및 퇴각 건축에 사용되는 1급 세포는 단백질에 기초한 분비물을 사용한다.[4]

등급2 표피접착제 글랜드 세포는 아프리도이데아와 팅기대의 방어 체계에서만 발견되었다.방어용 접착제 분비물은 기계적으로 기능하며 끈적끈적한 분비물 내에 결합해 독성 접착제를 생산하는 분자량이 적은 반응성 물질에 의해 유발되는 화학적 자극성 기능도 개발된다.[4]

등급3 표피접착샘은 보통 양피질이며 비밀리에 활동하는 단자와 큐티컬 전도관을 둘러싸고 있는 인접한 운하세포로 구성된다.[4]

수백 개의 선세포와 선단위는 등급1 또는 3에 포함되어 있으며, 다량의 분비를 배출하기 위해 전체 선기관을 형성할 수 있다.이동에 사용되는 접착세포는 모두 1등급 표피접착세포다.일부 털이 많은 접착 패드에서 3등급 표피 접착 세포가 역할을 할 수 있지만, 이는 아직 확인되지 않았다.이동에 사용되는 일부 접착샘은 먹이를 잡거나 잡는 데도 사용된다(Fac, 2010).일부 1급 세포와 3급 세포의 분비는 부첨골 또는 골내 공간에서 혼합된다.그것들은 또한 방출되기 전에 더 큰 선상 저장소에서 혼합될 수 있으며, 복합 구조 혼합물의 형성과 혼합물의 성분들 사이의 화학적 반응을 가능하게 한다.난소 기간 동안 암컷 곤충들이 난자를 기질에 붙이기 위해 사용하는 선세포는 잘 연구되지 않았다.표면에 계란을 붙이는 데 사용되는 분비샘은 1등급으로 관찰되었다.접착샘은 비단결 생산에 관여하는데, 비단결은 쉼터, 고치, 정자 보조 등을 위해 다양한 피부샘에 의해 생성된다.[4]1등급 셀은 이런 목적으로 응용되는 경우가 많다.

접착제 분비물

대부분의 생체접착제는 접착력과 응집력을 만들기 위해 폴리머(탄수화물 및 단백질)를 사용한다.[4]식물과 동물 모두가 사용하는 천연 접착제는 단백질, 다당류, 폴리페놀, 지질 등 몇 가지 기본 성분만으로 구성돼 다양한 조합으로 혼합돼 있다.[4]천연 접착제 화학적, 미세기계적 기능이 잘 이해되지 않는 경우가 많다.[4]기계적 작업을 위한 접착제는 종종 단백질, 레진, 긴 사슬 탄화수소와 점액낭의 혼합물 또는 왁스를 함유한 고분자 화합물로 구성된다.[4]방어용 접착제 분비물은 포식자를 막기 위해 종종 기계적인 효과와 낮은 분자량 화학 자극제를 결합한다.[4]

곤충의 접착제 분비물에는 매우 다양한 알리파틱 화합물이 있다.알리파틱 화합물은 곤충의 일부 운동 기관의 주요 성분 분비물이며, 그것들은 또한 방어 분비물 형성에 관여한다.이러한 유형의 접착제는 제한된 양만 포함하거나 지방산, 에스테르, 알코올과 같은 극성 성분을 포함하지 않는다.종종 이 화합물들은 온도에 민감하다.[4]곤충의 접착제 분비물 안에서 탄수화물을 분류하고 식별하는 연구는 거의 이루어지지 않았다.지금까지 포도당, 갈락토스, 만노오스, 베타글루코피라노스,/또는 (N-아세틸-베타-) 글루코사민을 함유한 포도당, 트레할로스, 점막다당류가 곤충 접착제의 성분으로 확인되었다.탄수화물은 방어 분비물에서뿐만 아니라 달걀을 함께 붙이는 데에서도 발견되었다.[4]흰개미와 개미의 접착성 방어 분비물에서 방향성 화합물이 확인되었다.나비가 알을 확보하기 위해 사용하는 것으로도 생각된다.[4]곤충 접착제에는 광범위한 이소프로노이드 스펙트럼이 포함되어 있다.이 화합물들은 흰개미와 같은 일부 종의 방어 메커니즘에서 발견되었다.[4]아미노산, 펩타이드, 단백질은 거의 항상 곤충의 접착제 분비물에서 발견된다.그들은 방어, 운동, 고치 건물과 같은 많은 기능들에 걸쳐 접착을 위해 고용된다.[4]

아라크니드 접착

거미는 털이 많은 접착 패드를 독자적으로 진화시켰다.그들의 패드는 관련 액체를 사용하지 않고 많은 도마뱀들과 많이 비슷하며 곤충들이 사용하는 털이 많은 패드와 같지 않다.[3]

테트라포드와의 융합

매끄러운 접착 패드는 양서류(게코와 개구리), 절지동물, 포유류(소유) 사이의 융합적 진화의 한 예다.[7]관련된 메커니즘은 심지어 비슷한 것으로 보인다.[1]이것은 이 이동 방법이 많은 동물 종에서 최적의 형태를 발견했음을 나타낼 수 있다.[7]게코니드 도마뱀과 거미의 털이 많은 부착 시스템은 수분을 만들어내지 못하는데, 이 유기체들은 강력한 유인력의 생성을 위해 반 데르 발스의 상호작용에 의존한다.[3][6]나무개구리 발가락 패드는 주상피세포로 만들어지는데, 주상피세포가 서로 분리되어 있다.[1]점액선용 모공은 점액으로 채워진 홈을 사이에 두고 평평한 상피세포가 배열된 토패드 상피층을 형성하는 세포 사이에 있는 채널로 열린다.[1]끝에서 세포가 분리되는 목적은 발가락이 달라붙을 구조물에 적합하도록 하기 위함이다.[1]세포 외부를 중심으로 한 육각형 디자인(귀뚜라미와 유사)으로 점막이 세포 위로 고르게 퍼져나갈 가능성이 있다.[1]부드러운 접착 패드는 나무 사이를 활공하는 유대목 주머니쥐에서 발견된다.[1]주머니쥐는 또한 부드러운 접착 패드를 사용하여 수직으로 올라갈 수 있으며, 큰 발가락 패드를 사용할 수 있다.[1]패드는 대부분의 외부 층의 세포가 평평하게 되는 층화된 편평상피층의 표피층으로 구성되어 있다.[1]패드에는 땀샘이 홈으로 스며들어 젖은 접착을 위한 액체를 제공하는 교차된 굴곡과 홈이 있다.[1]박쥐는 접착 패드도 따로 진화했다.어떤 박쥐들은 접착제 첨가제를 사용하는 반면, 다른 박쥐들은 흡착제 기관을 가지고 있다.[12]

인간에 대한 중요성

일부 연구자들은 절지동물에서 볼 수 있는 첨단 기관차 메커니즘을 이용하여 로봇의 움직임을 모델링하여 최대한 효율적인 움직임을 만들 것을 제안한다.[3][6][7]현재 곤충 접착 패드는 빠른 제어 가능성과 관련하여 여전히 대부분의 인공 접착제보다 우수하다.[2]일부 연구자들은 또한 보다 효과적인 테이프와 결합 도구를 위해 절지동물 기반의 접착 메커니즘을 사용할 것을 제안한다.[4][6]또한, 일부 연구는 물에 잠길 때 인간의 손가락에서 발생하는 주름 효과가 젖은 물체에 대한 그립감을 증가시키는 작용을 한다는 것을 보여준다.[13]이 메커니즘은 알 수 없지만 핑거 패드의 접착 특성 변화 때문일 수 있다.생체접착의 특성을 조사함으로써 핑거패드 접착을 보다 잘 이해할 수 있다.하지만, 주름으로 인한 손가락 패드 손재주 증가에 대한 이 연구는 많은 논쟁을 불러 일으켰다.[14]그럼에도 불구하고 곤충의 접착 메커니즘에 대한 더 나은 이해는 인간의 이동성과 기술을 위한 더 나은 접착제의 개발을 인도하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 인간의 손가락 기능에 대한 더 나은 이해를 알려주는 데 도움이 될 수 있다고 주장할 수 있다.

참고 항목

참조

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