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听说不用雷峰塔，用毛毯就能“封印”蛇？

环球科学 · 公众号 · 科学 · 2025-02-03 21:00

正文

哈喽，朋友们，又到了新的一年，今天是农历大年初三。2025年是农历乙巳年，也就是俗称的蛇年。

蛇作为华夏文明早期的原始图腾，是我们祖先眼中的上古神灵，从古至今，蛇以多种形象出现在我们生活中的各方各面。

《白蛇传》这一经典故事也是将蛇深深印入了人们的脑海，今年春晚节目《借伞》又将这一故事重新搬上舞台：

我的童年cp时隔多年又有了售后

当时，雷峰塔镇压白娘子的片段赚取了我们不少的眼泪，雷峰塔镇压这是法术攻击，但是现实世界中法术是不存在的。那么，如果法海通过当时已有的物理技术/方法可以镇压住白娘子的真身吗？

古代要是建一座塔估计还没建好，蛇早就跑了，最方便的就是拿块粗布（比如毯子）盖住，不过这真的可以实现吗？

要讨论这件事，那需要先了解一下蛇的运动方式和原理~

蛇的运动方式

首先我们来看一下蛇的运动方式，蛇类的运动都是通过躯体直接完成，主要可分为蜿蜒运动、直线运动、侧向运动和伸缩运动。

蜿蜒运动是蛇类最常见的运动方式，也是我们大多数人印象中蛇类爬行的样子，蛇在粗糙的地面或者水中做出连续的波状弯曲，利用体侧不断向地面施加压力，依靠地面的反作用力推动身体前进。

蜿蜒运动

直线运动是一种爬行速度较慢但更加省力的爬行方式，常见于蟒、蚺等体型较大的蛇与蝰科中的一些“蛇中肥宅”，这种直线运动和大众的认知不太一样，科学家们也是最近几十年才揭开了这一未解之谜。

像毛毛虫一样的直线运动

侧向运动是一些沙漠栖息的蛇类为适应疏松沙地的一种运动方式，蛇弯曲身体使在竖直平面立起呈波浪形，全身只与地面有几个接触点。这种运动方式有利于响尾蛇穿过炙热的沙地或攀爬沙丘。

侧向运动

伸缩运动是蛇在较光滑或较狭窄空间内的一种运动方式，运动时蛇抬起身体前部并尽量前伸，在接触到某一物体作为支点后，后部身体随之向前收缩，然后重复该步骤以使身体向前。

伸缩运动

蛇真的没有腿吗？

我们熟知的成语“画蛇添足”似乎已经告诉我们，蛇确实缺少四肢。但是，蛇的四肢是逐渐演化丢失的还是突然消失或者一开始就没有的呢？

在现在的动物世界中，虽然蛇与蜥蜴关系很近，但蛇的形态特殊之处就在于，蛇类没有肩带和附肢，是四足动物中没有四肢的类群，这也是其重要鉴别特征之一。科学家们也一直在寻找蛇类四肢缺失的谜底。

蛇类起源于1.2亿年前的白垩纪早期，蛇类的祖先曾和恐龙共同生存，可见其起源古老。随着科研的进步，古生物学家已陆续发现具有后肢的蛇类化石，越来越多的化石证据已表明蛇类的四肢是在演化过程中逐渐丢失的。

有四肢的蛇类化石物种

由此可见，蛇类的四肢演化并不是某一代一蹴而就的，而一代代深思熟虑的结果。而这种有四肢的祖先蛇类的学名被命名为Tetrapodophis，意思是有四条腿的蛇，可谓是真正的“四脚蛇”了。

那么，蛇类将脚进化掉后，它的身上都覆盖的是什么呢？为了能够在多种环境下运动，蛇进化出了具有适应环境特点的鳞片。通过显微镜我们可以发现，陆栖地上生活的蛇类具有高度分化、尺寸宽大且发达的单排覆瓦状排列的鳞片。这些鳞片是由角质构成的，可以保护蛇的身体。

不同品种蛇的鳞片

另外，在蛇的腹部，有一些特殊的鳞片，叫做“腹鳞”，腹鳞在蛇运动过程中起到了重要作用。科学家们通过扫描电子显微镜（SEM）观察力不同品种蛇鳞片的表面微观结构。

不同品种蛇的腹鳞表面微观结构

图像显示，鳞片的表面存在形态各异且排布规律的微凸体结构，可改变局部的相对滑动方向和速度，并且这些结构以一定倾角定向分布排列朝向蛇尾，而这种独特的跨尺度结构特征差异由蛇的品种类别和生活环境共同决定，进而影响蛇腹鳞摩擦性能。

原子力显微镜下的脊蛇鳞片表面形貌

光靠鳞片就能运动吗？

根据我们上面的介绍，现在的蛇没有腿，那么它们又是怎么运动的呢？光靠鳞片就可以吗？

我们就以比较常见且简单的蜿蜒运动和伸缩运动为例，来简单分析一下吧~

首先分析一下蜿蜒运动。蛇的躯干上每一个背椎骨都有一对弧形的肋骨，每一根肋骨各有一对肌束连到鳞片上。椎骨在肌肉的作用下可以左右转动，调整肋骨活动，改变腹鳞与地面的接触方向和面积，给地面施加侧向压力。

蛇的骨骼图（小编简笔画版）

接着我们来简单地受力分析一下：

假定开始运动时，小白蛇呈一条直线。开始运动时，A点以前的部分想通过体内肌肉的作用拉后面部分向前，由此，蛇在A点给地面一个侧向压力，并受到地面一个向前的静摩擦力f_A。这个f_A恰好等于A点以后部分身体对前面部分的拉力F_A，因而A点以前的部分蛇体不移动，并且通过肌肉的收缩把AB段拉弯曲，把B点以后的部分向前拖动一段距离。

地面同样也给了蛇的一个向前的静摩擦力f_B，使蛇体在B点部分不动，通过肌肉作用使AB部分伸直，推动A点以前部分向前运动，同时，再通过肌肉的收缩使得B点以后弯曲。这样，蛇就可以以蜿蜒运动的形式前进了。

蜿蜒运动的简化版受力分析

而对于伸缩运动，这是蛇一般在狭窄空间或者光滑表面的一种常见的运动方式。

由于表面较光滑，由体侧压力（全靠肌肉作用）所产生的压力较小，因而受到的最大静擦力也较小，不能通过肌肉收缩把蛇拉弯。而伸缩运动中的静摩擦力，是由于肋骨与腹鳞间肋皮肌的收缩，使宽大的腹鳞竖立，支持于地面产生的，因而较大。

可以看出，在蛇的运动中有两个因素比较重要：

（1）蛇的某一部分必须受到地面给它的静摩擦力的作用；

（2）在整个运动过程中，蛇的肌肉必须发挥作用，使蛇体弯曲、收缩或伸长，改变鳞片与地面的接触方向和面积，调整鳞片对地面的压力，从而改变摩擦力。

那么，摩擦力究竟是如何通过鳞片改变的呢？这就要靠鳞片表面的微凸起结构了。

（1）微凸起结构大多呈现倒刺或者锯齿形，这有助于蛇在移动时更好地“抓住”地面，比如根据我们上面分析的蜿蜒运动，微凸起有助于蛇使用较少的力气就能够移动。

（2）微凸起结构使得摩擦力具有各向异性。科学家们通过微摩擦计对不同品种蛇的腹鳞进行了研究，发现了鳞片表面规则排布的微凸起结构具有摩擦各向异性，比如沿体轴方向滑行和反向滑行时表现出不同的摩擦系数，在前进时摩擦系数较小，很容易运动，而后退时摩擦系数较大，摩擦力很强。

球蟒与红尾蚺不同躯体部位腹鳞的摩擦系数

同时，鳞片的刚度对鳞片的摩擦性能有较大的影响，基底越软，可以增加鳞片和基底的实际接触面积，增加摩擦阻力。

（3）适应不同环境，不同地形的摩擦力需求也会促使蛇的鳞片结构出现微调。例如，在湿滑的地面上，脊蛇的微凹槽阵列排列十分密集，从而形成了非常薄的网格状的凸起薄壁，这种微纳米级别的凸起薄壁实现了与泥土之间最少的接触，从而实现了在泥土中的高效减阻。

鳞片的特点有什么应用？

在材料性能确定的情况下，尤其是针对高分子弹性材料，想要通过结构设计达到减摩效果的最直接办法就是尽量减少两界面之间的有效接触面积，其中仿脊蛇鳞片表面微结构阵列设计是一种有效的减摩设计方法。

那么，如果想要实现两界面之间的增摩或增黏，是不是需要增大它们之间的有效接触面积呢？这个问题为仿生摩擦学的研究打开了新的思路。

仿脊蛇鳞片表面微结构阵列的设计过程

最后，我们一起来分析下毛毯“封印”蛇的可能性：

毛毯的特点在于质地柔软、表面结构不规则等特点。

蛇在上面爬行时，因为接触面太过柔软，蛇和毛毯的接触面积大大增加，使得摩擦力较强，并且身体也容易陷入毛毯中。

同时，珊瑚绒的毛绒结构是不规则的，且高度不均匀。这个不规则的表面会导致蛇在移动时出现不同的摩擦力点，使得蛇的鳞片难以找到均匀的摩擦点来推动自己。

因此，如果将大小合适的蛇放在毛毯上还是有可能使得它在原地不断卡bug的，不过这还是要考虑具体情况的（比如要是巨蟒，那小小毛毯丝毫不起作用）

所以，像白娘子的真身——白色蟒蛇，应该不会被压住（我的cp保住了！）

参考文献：
[1]苏以吉.蛇的鳞片[J].生物学教学,2021,46(10):82.
[2]吴德林.蛇运动的动力[J].重庆师范学院学报(自然科学版),1991,(01):89-92.
[3]胡嵩.三种蛇腹部蜕鳞结构摩擦性能及其仿生研究[D].吉林大学,2023.

编辑：悦悦

本文转载自公众号“中科院物理所（id：cas-iop）”

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