仿愛(ài)夜蛾在敦煌莫高窟模擬壁畫(huà)表面的附著力研究

吉愛(ài)紅等

內(nèi)容摘要：昆蟲(chóng)在壁畫(huà)表面運(yùn)動(dòng)與附著時(shí)，會(huì)對(duì)壁畫(huà)表面產(chǎn)生破壞。本文研究了仿愛(ài)夜蛾在敦煌莫高窟模擬壁畫(huà)表面的附著力。仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面附著時(shí)，首先產(chǎn)生一定的法向抓附力，才能獲得較大的切向摩擦力，保證其能夠穩(wěn)定附著于壁畫(huà)表面。其腳爪對(duì)壁畫(huà)表面的最大劃力可以達(dá)到身體重力的15倍，從而造成壁畫(huà)表面的細(xì)微劃痕甚至引起起甲壁畫(huà)的脫落。

關(guān)鍵詞：模擬壁畫(huà)；仿愛(ài)夜蛾；附著力；文物保護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)：K854.3；Q811.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106（2015）01-0111-05

Abstract： Out of concern that insects might destroy the murals as they move and burrow into the mural surfaces， this paper measures the adhesive forces of the Noctuid Apopestes spectrum on simulated murals in the Mogao Grottoes. In order to adhere stably to the mural surfaces， Apopestes spectrum produce a normal grip force before exerting a large tangential friction force. The maximum scratching force on the surface of the mural was about fifteen times the body weight of the insect， which might cause micro-scratches on the murals or even surface flaking.

Keywords： simulated murals； Apopestes spectrum（Esper）； adhesive force； heritage conservation

1 引 言

世界上的許多石窟和寺院是人類(lèi)重要的文化遺存，也是昆蟲(chóng)的主要生存環(huán)境之一。國(guó)際上，學(xué)者們就昆蟲(chóng)、微生物等對(duì)古代木結(jié)構(gòu)建筑、教堂壁畫(huà)、館藏文物的危害與防治進(jìn)行了較為深入的研究[1-4]。昆蟲(chóng)對(duì)文物的危害形式主要表現(xiàn)為對(duì)文物的啃噬、筑巢、作繭[5]，成蟲(chóng)飛行著落時(shí)對(duì)文物的沖擊以及爬行在文物表面時(shí)腳爪對(duì)文物的摩擦損傷，昆蟲(chóng)鱗粉及排泄物對(duì)文物表面的污染及腐蝕作用等[6]。

汪萬(wàn)福等通過(guò)對(duì)包括敦煌莫高窟在內(nèi)的甘肅境內(nèi)12處石窟寺中112個(gè)典型洞窟蟲(chóng)害調(diào)查的結(jié)果表明，在石窟周邊和洞窟中分布著對(duì)壁畫(huà)或塑像有害的昆蟲(chóng)有8目19科27種之多，91.9%洞窟內(nèi)的壁畫(huà)或塑像不同程度地受到這些生物的侵害[7]。其中鱗翅目夜蛾科的仿愛(ài)夜蛾（Apopestes spectrum）等對(duì)莫高窟壁畫(huà)的損害極為嚴(yán)重[8-9]。敦煌莫高窟壁畫(huà)地仗層中草纖維及其水解產(chǎn)物、壁畫(huà)顏料中做黏合劑的動(dòng)物皮膠或植物膠均是昆蟲(chóng)的食料來(lái)源，洞窟冬暖夏涼及隱蔽的環(huán)境條件也為昆蟲(chóng)棲息和繁殖提供了有利條件，加速了其對(duì)精美壁畫(huà)的損害。有害生物對(duì)石窟壁畫(huà)的危害問(wèn)題一直缺乏詳細(xì)而深入的研究，報(bào)道只局限于對(duì)昆蟲(chóng)生活習(xí)性、發(fā)生規(guī)律及其防治的初步研究。而昆蟲(chóng)在壁畫(huà)上爬行時(shí)腳爪和壁畫(huà)相互作用，可使起甲、酥堿嚴(yán)重的壁畫(huà)脫落，鱗粉及成蟲(chóng)排泄物撒落在壁畫(huà)表面，嚴(yán)重污染壁畫(huà)。昆蟲(chóng)對(duì)起甲壁畫(huà)的破壞機(jī)理尚不清楚，因此還無(wú)法提出切實(shí)有效的防治和保護(hù)措施。

前期觀察研究發(fā)現(xiàn)，仿愛(ài)夜蛾對(duì)壁畫(huà)的破壞主要有兩種形式：一種是由仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面爬行時(shí)對(duì)壁畫(huà)表面產(chǎn)生的破壞，另外一種是由于仿愛(ài)夜蛾翅膀拍動(dòng)而造成的翅尖對(duì)起甲壁畫(huà)的破壞。本文主要從腳爪附著力方面研究仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面爬行時(shí)對(duì)壁畫(huà)表面產(chǎn)生的破壞。測(cè)試仿愛(ài)夜蛾腳爪在模擬壁畫(huà)表面的法向抓附力和切向摩擦力，通過(guò)仿愛(ài)夜蛾在不同粗糙度的模擬壁畫(huà)表面抓附力和摩擦力的大小，分析仿愛(ài)夜蛾腳爪附著力與壁畫(huà)表面粗糙度之間的關(guān)系，以此推斷仿愛(ài)夜蛾腳爪在壁畫(huà)表面的附著機(jī)理。

2 材料與方法

（1）實(shí)驗(yàn)昆蟲(chóng) 實(shí)驗(yàn)用的大量仿愛(ài)夜蛾成蟲(chóng)采自敦煌莫高窟洞窟中。仿愛(ài)夜蛾體重為0.36±0.03g，體長(zhǎng)20.5±1.2mm。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都用捕捉的新鮮昆蟲(chóng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)裝置 仿愛(ài)夜蛾的附著力實(shí)驗(yàn)裝置由高精度六維力傳感器、模擬壁畫(huà)試塊、高速攝像機(jī)、信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)組成（圖1）。六維力傳感器（NANO17，ATI，USA）能檢測(cè)到仿愛(ài)夜蛾與模擬壁畫(huà)試塊表面的接觸力。高速攝像機(jī)（i-speed 3，Olympus，Japan）可以同步記錄仿愛(ài)夜蛾運(yùn)動(dòng)時(shí)腳爪與模擬壁畫(huà)試塊表面接觸的圖像信息。模擬壁畫(huà)試塊大小均為100mm×100mm（長(zhǎng)×寬），厚10mm，重約0.6kg。共16種顏色可以進(jìn)行更換，依次為群青、雄黃、鐵黃、靛藍(lán)、鉛白、鉛丹、雌黃、朱砂、鉛黃、氯銅礦、墨、滑石、熟石膏、天然土紅、石青和孔雀石。用粗糙度測(cè)量?jī)x（JB-5C，上海泰明，中國(guó)）測(cè)量16種模擬壁畫(huà)的表面粗糙度，如表1，按照粗糙度值大小排序。

（3）實(shí)驗(yàn)方法 當(dāng)仿愛(ài)夜蛾所有腳爪全部附著于模擬壁畫(huà)表面時(shí)，沿豎直方向（模擬壁畫(huà)的法向）將仿愛(ài)夜蛾快速拉離模擬壁畫(huà)表面，可得到仿愛(ài)夜蛾在模擬壁畫(huà)表面腳爪的法向抓附力；沿水平方向（平行于模擬壁畫(huà)表面）將仿愛(ài)夜蛾快速拉離模擬壁畫(huà)表面，可得到仿愛(ài)夜蛾在模擬壁畫(huà)表面腳爪的切向摩擦力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算分析使用軟件SPSS（SPSS Inc.， Chicago， USA），實(shí)驗(yàn)結(jié)果中描述性統(tǒng)計(jì)值顯示的是平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（mean±s.d.）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 法向抓附力

仿愛(ài)夜蛾腳爪在16種模擬壁畫(huà)表面的法向抓附力如圖2所示。法向抓附力與模擬壁畫(huà)表面粗糙度之間的關(guān)系分布很隨機(jī)，沒(méi)有明顯規(guī)律，法向抓附力與模擬壁畫(huà)表面粗糙度之間不存在顯著的相關(guān)性。最大法向抓附力為17.08±3.35 mN，為身體體重的5.1±1.56倍。即在仿愛(ài)夜蛾飛離壁畫(huà)表面時(shí)，飛離瞬間腳爪對(duì)壁畫(huà)可以產(chǎn)生最大約為其身體重力6.66倍的法向破壞力。

3.2 切向摩擦力

仿愛(ài)夜蛾腳爪在16種不同粗糙度模擬壁畫(huà)表面的切向摩擦力如圖3所示。切向摩擦力與模擬壁畫(huà)表面粗糙度之間存在顯著的相關(guān)性。切向摩擦力隨著粗糙度的增大呈增加趨勢(shì)。最大切向摩擦力為42.99±4.68mN，為體重的12.7±2.3倍，對(duì)比圖2發(fā)現(xiàn)，切向摩擦力比法向抓附力大很多。當(dāng)仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面爬行時(shí)，其腳爪對(duì)壁畫(huà)表面的劃力最大可以達(dá)到身體重力的15倍，這將對(duì)壁畫(huà)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的破壞，在壁畫(huà)表面產(chǎn)生劃痕。

3.3 仿愛(ài)夜蛾在模擬壁畫(huà)表面的附著模型分析

從摩擦學(xué)的角度出發(fā)，產(chǎn)生一定的切向摩擦力必須存在法向的正壓力。昆蟲(chóng)爬行過(guò)程中，法向力和切向力是接觸反力的不同分量[10]。法向力是動(dòng)物在墻面、天花板上黏附能力的展示（此時(shí)法向力為負(fù)值）。切向力表示了動(dòng)物與接觸面間的靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力的大小。Gorb發(fā)現(xiàn)蒼蠅在天花板上附著時(shí)其腳爪的切向力約為法向力的4倍[11]。Frantsevich測(cè)試了斑衣蠟蟬的接觸反力，發(fā)現(xiàn)其切向力約為法向力的10倍[12]。仿愛(ài)夜蛾腳爪在模擬壁畫(huà)表面的切向摩擦力約為法向抓附力的2.57倍（如圖4），最大可達(dá)到3.2倍。由此推斷仿愛(ài)夜蛾腳爪在接觸壁畫(huà)的瞬間，其腳爪首先要產(chǎn)生一個(gè)預(yù)壓性法向抓附力，然后腳爪沿著切向運(yùn)動(dòng)，就可以產(chǎn)生摩擦力，保證其能夠穩(wěn)定附著于壁畫(huà)表面。

仿愛(ài)夜蛾在豎直壁畫(huà)表面和倒置壁畫(huà)表面附著時(shí)的簡(jiǎn)化模型如圖5所示。G為仿愛(ài)夜蛾的體重；F為仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面穩(wěn)定附著時(shí)腳爪對(duì)壁畫(huà)表面的作用力；FS為作用力的切向分力，稱(chēng)為切向摩擦力；FV為作用力的法向分力，稱(chēng)為法向抓附力；m為仿愛(ài)夜蛾身體的質(zhì)心；α為仿愛(ài)夜蛾腿與接觸表面的支撐角。

仿愛(ài)夜蛾在豎直壁畫(huà)表面附著時(shí)，其接觸反力F及法向分力FV和切向分力FS分別為：

仿愛(ài)夜蛾在豎直壁畫(huà)表面附著時(shí)，主要依靠腳爪與接觸表面間的切向摩擦力來(lái)平衡體重，而在倒置壁畫(huà)表面附著時(shí)主要依靠腳爪與接觸表面間的法向抓附力來(lái)平衡體重。由式1和式2可知，仿愛(ài)夜蛾與接觸表面之間的支撐角α越小，越有利于其穩(wěn)定附著于墻面和天花板。在墻面上附著時(shí)，支撐角α越小，法向分力FV越??；在天花板面附著時(shí)，支撐角α越小，切向分力FS越大。通常情況下，仿愛(ài)夜蛾在接觸表面附著時(shí)，支撐角α小于45°，則無(wú)論是在墻面上還是天花板上附著時(shí)，都有法向分力FV小于切向分力FS。實(shí)驗(yàn)測(cè)得仿愛(ài)夜蛾在模擬壁畫(huà)表面附著時(shí)，其切向摩擦力為法向抓附力的2.57倍，與模型計(jì)算的結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文測(cè)試了仿愛(ài)夜蛾腳爪在16種模擬壁畫(huà)表面的法向抓附力和切向摩擦力。仿愛(ài)夜蛾腳爪在模擬壁畫(huà)表面的法向抓附力大小為17.08±3.35mN，這說(shuō)明在仿愛(ài)夜蛾飛離壁畫(huà)表面時(shí)，飛離瞬間腳爪對(duì)壁畫(huà)可以產(chǎn)生最大約為其身體重力5倍的破壞力。仿愛(ài)夜蛾腳爪在模擬壁畫(huà)表面的最大切向摩擦力為42.99±4.68mN，約為身體重力的12.7倍。當(dāng)仿愛(ài)夜蛾在壁畫(huà)表面爬行時(shí)，其腳爪對(duì)壁畫(huà)表面的劃力最大可以達(dá)到身體重力的15倍，這將對(duì)壁畫(huà)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的破壞，在壁畫(huà)表面產(chǎn)生很?chē)?yán)重的劃痕。

仿愛(ài)夜蛾腳爪在壁畫(huà)表面抓附時(shí)，首先要有一定的法向抓附力，才能獲得大的切向摩擦力，保證其能夠穩(wěn)定附著于壁畫(huà)表面。通過(guò)建立仿愛(ài)夜蛾身體在壁畫(huà)表面附著的力學(xué)模型，分析了切向摩擦力遠(yuǎn)大于法向抓附力的原因，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]Alencon E D， Piffanelli P，Volkoff A N，et al.A genomic BAC library and a new BAC-GFP vector to study the holocentric pest Spodoptera frugiperda[J].Insect Biochemistry and Molecular Biology，2004，34： 331-341.

[2]Linnie M J，Keatinge M J.Pest control in muse-ums：toxicity of para[J].International Biodeterio-ration & Biodegradation，1999， 45：1-13.

[3]Koestler R J， Sardjono S， Koestler D L， et al.Detection of insect infestation in museum objectsby carbon dioxide measurement using FTIR[J].International Biodeterioration & Biodegradati-on，2000，45：285-292.

[4]Selwitz C，Maekawa S.Inert gases in the control of museum insect pests[J].The Getty Conservation Institute，1998，20：17-28.

[5]Gorbushina A A，Petersen K，Distribution of mic-roorganisms on ancient wall paintings as related to associated faunal elements[J].International

Biodeterioration & Biodegradation，2011，46：177-184.

[6]Rubio R F，Bolivarb F C.Preliminary Study on the Biodeterioration of Canvas Paintings from the Seventeenth Century by Microchiroptera[J].Inter-

national Biodeterioration & Biodegradation，1997，40：161-169.

[7]汪萬(wàn)福，藺創(chuàng)業(yè)，張國(guó)彬，等.甘肅境內(nèi)石窟寺中壁畫(huà)有害生物調(diào)查與防治對(duì)策[J].敦煌研究，2009，118（6）：30-35.

[8]汪萬(wàn)福，藺創(chuàng)業(yè).損壞敦煌莫高窟壁畫(huà)的害蟲(chóng)：仿愛(ài)夜蛾的生活習(xí)性與防治研究[J].昆蟲(chóng)知識(shí)，2001，38（4）：282-285.

[9]汪萬(wàn)福，武發(fā)思，張國(guó)彬，等.仿愛(ài)夜蛾成蟲(chóng)對(duì)敦煌莫高窟模擬洞窟壁畫(huà)的選擇趨性[J].昆蟲(chóng)學(xué)報(bào)，2013，56（10）：1181-1188.

[10]吉愛(ài)紅.動(dòng)物運(yùn)動(dòng)接觸反力測(cè)試系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)與分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[11]Gorb S N.Attachment of insects[C]//The 4th Shanghai Roundtable，Nature as Engineer and Teacher：Learning for technology from biological systems，2003，8-11.

[12]Frantsevich L，Ji A，Dai Z，et al.Adhesive properties of the arolium of a lanternfly， Lycorma delicatula（Auchenorrhyncha，F(xiàn)ulgoridae）[J].Jo

urnal of Insect Physiology，2008，54（5）：818-827.