德国波恩大学的研究人员开发了一种昆虫咬合力传感器系统

昆虫咬人能有多用力?强大的咀嚼能力使它更容易成功地打破更硬的食物和击败对手。波恩大学的生物系已经开发了forceX移动系统，用于测量小动物的咬合力，以及forceR软件，用于分析数据。这使得理解咬力的进化成为可能，比如昆虫的咬力。该研究结果最近发表在《生态学与进化方法》杂志上。

科学家手掌里的螳螂扭动了一下。这种昆虫通过咬下两块金属板来保护自己，当它接近传感器时，两块金属板将压力传递给压电晶体。放大器将晶体产生的电压传输到笔记本电脑上，这是负载相关的。在屏幕上，可以看到许多曲线，其中一些曲线突然上升，达到一个平台，然后回落到零。根据昆虫达到最大咬力的速度，有时起落会比较平缓。

螳螂的咬痕曲线-由forceX系统测量，可以在笔记本电脑上看到。在后台，peter T. Rühr执行测量。

几乎没有咬合力的数据

波恩大学进化生物学与生态学研究所的博士生彼peter T. Rühr说:“关于昆虫咬起来有多用力，几乎没有任何可用的数据。”通过他们的传感器系统“forceX”，研究人员想要调查昆虫的下颌骨、肌肉组织和头部形状是如何进化来应对各自环境的挑战的。Rühr说:“用力咬并不总是有利的，因为保持强咬的能力需要消耗更高的能量。”例如，咬合力可能取决于昆虫以什么食物为食，或者它是否需要下颌骨来保护自己。

捕虫器是用来在黑暗中捕捉昆虫，然后测量它们的咬合力。

亚历山大·布兰科(Alexander Blanke)教授获得了欧洲研究理事会(ERC)的启动资金，他领导的团队改进了现有的测量咬合力的系统。

为了确定被研究昆虫的下颌骨是否与传感器的金属板在适当的区域接触，波恩大学的研究人员使用了一个立体显微镜，它类似于一个强大的放大镜。当底板保持静止时，顶板使用一个摇杆将力传递给传感器。

下颌骨大小的灵活调整是可能的

Rühr在解释这些进步时说:“根据下颌骨的大小和开口角度，我们使用大小不同、可互换的咬板。这使得传感器可以在相对较大的范围内进行调整，以满足动物的特殊要求。”整个系统由电池供电，因此可以用于移动测量——即使在“野外”。

为了叮咬昆虫，研究人员使用了一个塑料支架。动物完全消失在小瓶中，只有头部和它的口器从前面的一个小洞中伸出。Rühr说:“这让我们可以更好地定位昆虫，而不必把它们拿在手里。”通常，动物不需要太多的劝说就会咬人。他们在不熟悉的环境中感到不舒服，并以防御性的咬反击。如果这种本能的行为未能实现，研究人员就会用一把精致的刷子轻抚昆虫的头部——最迟昆虫会闭上它们的嘴巴。

测量精度高

为了发表在《生态与进化的方法》上，研究人员确定了该系统的准确性:他们将不同的重量(从1克到近1公斤)固定在可移动的金属板上。总共1600次重复显示，测量之间的偏差最大为2.2%。“这是非常准确的，”Rühr说。例如，该系统还可以用来测量蝎子或蟹爪的力量。

Rühr和布兰科在科隆大学期间建立了这个系统，部分是与当地精密工程车间合作。在波恩大学，他们进一步优化了它，并进行了精度测量。该手稿还描述了新的“forceR”软件，该软件的咬合力值和咬合力曲线的形状可以评估和比较。研究人员不希望将咬合力传感器系统推向市场。“相反，《生态学和进化方法》中的结果为复制提供了基础，”Rühr说。传感器的基本部件甚至可以用3D打印机再现。

参考文献:“forceX and forceR: A mobile setup and r package to measure and analyse a wide range of animal closing forces” by peter T. Rühr and Alexander Blanke, 29 May 2022, Methods in Ecology and Evolution.
DOI: 10.1111/2041-210X.13909