体长仅数毫米的小型昆虫叶蝉因吸食农作物的汁液，被广泛认为是害虫。从达尔文以来，人们对叶蝉的形态及构造已经研究了一个多世纪，但对于排泄过程的生物流体力学却知之甚少。

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3月1日凌晨，国际学术期刊《自然-通讯》在线发表的一篇论文称，叶蝉每天喷射排出的液滴（尿滴）最多可达其体重的300倍，如同“叶蝉雨”。

相比之下，人类每天的排泄量只有其体重的2.5%左右。

喷射液滴的叶蝉。叶蝉吸食的汁液中95%是水。研究人员认为，可能正是因为排泄300倍于自身体重的排泄物，需要巨大的能量，叶蝉才选择了最节能的方式——液滴超推进（Droplet superpropulsion）。

这是首次在生物系统中发现“超推进”现象。

叶蝉喷射液滴的全过程。(01:37)该论文的标题是《能量受限昆虫的液滴超推进》（Droplet superpropulsion in an energetically constrained insect）。通讯作者是美国亚特兰大佐治亚理工学院助理教授萨阿德·巴姆拉（M.Saad Bhamla），第一作者是美国亚特兰大佐治亚理工学院生物工程博士候选人埃利奥·查利塔（Elio J.Challita）。

研究人员认为，这一发现或能启发软体机器引擎和节能自净结构的工程学设计。

埃利奥和萨阿德通过邮件向澎湃科技表示，超推进原理此前只在合成系统的超疏水表面上得到了证明。叶蝉使用特殊的“肛门触须”（anal stylus）附属物来弹射它们的液滴排泄物，并通过调整振动频率，将液滴喷射出去。这种方法最大程度地提高了能量传递效率，因此更节能。

但埃利奥和萨阿德表示，目前尚不清楚叶蝉如何实现其“弹射器”和液滴之间的调频。

埃利奥和萨阿德表示，叶蝉通过两个层面的努力节省了能量，一是选择喷射液滴，而非射流；二是在液滴喷射过程中使用超推进力。他们解释说，用肌肉形成射流，在能量上是昂贵的，因为需要高压才能形成射流。与之相比，形成液滴消耗的能量更少。而形成液滴后，“超推进”帮助其完成最大程度的弹射能量转移。

2017年9月，法国尼斯蔚蓝海岸大学（Université Côte d"Azur）教授克里斯托夫·劳法斯特（Christophe Raufaste）与合作者在美国物理学会出版的国际学术期刊《物理评论快报》（PHYSICAL REVIEW LETTERS）上发表了标题为《液滴和软弹性固体的超推进》（Superpropulsion of Droplets and Soft Elastic Solids）的论文。

他们发现，如果用一个上下振动的固体表面作为弹射器，那么该弹射器发射出的液滴的速度可能比上述固体表面移动的速度快得多。一个重要的原因是，被弹射出来的液滴会发生拉伸、压缩等变形，在空中振荡，像一个被集中的棒球：被压扁，然后回弹。这种可以增加液滴的质心向上运动的振荡、变形现象，被研究人员称为“超推进”。

弹射过程中变形的液滴。来自论文《液滴和软弹性固体的超推进》（Superpropulsion of Droplets and Soft Elastic Solids）。(00:13)

研究人员利用具有超疏水（注：不粘附）特点的氟化聚合物（类似于聚四氟乙烯）制成的表面发射直径约 0.5-1.8 毫米的水滴来进行相关实验。

当上述被弹射的液滴发生变形、振荡的频率，是固体表面上下振荡频率的3倍时，弹射会取得巨大的“增益”效果：液滴被弹射的动能是刚性球（注：不发生）被弹射动能的2.5倍。

在美国物理学会网站2017年的报道中，Raufaste说，“对于弹弓、射箭和弹射器，只有部分初始弹射能量被转移到‘子弹’上。我们可以通过考虑‘子弹’的变形动力学或投射发动机的加速动力学，来显着增加能量传输。”他说，同样的原理也适用飞机弹射。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36376-5

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