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内容摘要：昆虫在壁画表面运动与附着时，会对壁画表面产生破坏。本文研究了仿爱夜蛾在敦煌莫高窟模拟壁画表面的附着力。仿爱夜蛾在壁画表面附着时，首先产生一定的法向抓附力，才能获得较大的切向摩擦力，保证其能够稳定附着于壁画表面。其脚爪对壁画表面的最大划力可以达到身体重力的15倍，从而造成壁画表面的细微划痕甚至引起起甲壁画的脱落。
关键词：模拟壁画；仿爱夜蛾；附着力；文物保护
中图分类号：K854.3；Q811.21 文献标识码：A 文章编号：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
世界上的许多石窟和寺院是人类重要的文化遗存，也是昆虫的主要生存环境之一。国际上，学者们就昆虫、微生物等对古代木结构建筑、教堂壁画、馆藏文物的危害与防治进行了较为深入的研究[1-4]。昆虫对文物的危害形式主要表现为对文物的啃噬、筑巢、作茧[5]，成虫飞行着落时对文物的冲击以及爬行在文物表面时脚爪对文物的摩擦损伤，昆虫鳞粉及排泄物对文物表面的污染及腐蚀作用等[6]。
汪万福等通过对包括敦煌莫高窟在内的甘肃境内12处石窟寺中112个典型洞窟虫害调查的结果表明，在石窟周边和洞窟中分布着对壁画或塑像有害的昆虫有8目19科27种之多，91.9%洞窟内的壁画或塑像不同程度地受到这些生物的侵害[7]。其中鳞翅目夜蛾科的仿爱夜蛾（Apopestes spectrum）等对莫高窟壁画的损害极为严重[8-9]。敦煌莫高窟壁画地仗层中草纤维及其水解产物、壁画颜料中做黏合剂的动物皮胶或植物胶均是昆虫的食料来源，洞窟冬暖夏凉及隐蔽的环境条件也为昆虫栖息和繁殖提供了有利条件，加速了其对精美壁画的损害。有害生物对石窟壁画的危害问题一直缺乏详细而深入的研究，报道只局限于对昆虫生活习性、发生规律及其防治的初步研究。而昆虫在壁画上爬行时脚爪和壁画相互作用，可使起甲、酥碱严重的壁画脱落，鳞粉及成虫排泄物撒落在壁画表面，严重污染壁画。昆虫对起甲壁画的破坏机理尚不清楚，因此还无法提出切实有效的防治和保护措施。
前期观察研究发现，仿爱夜蛾对壁画的破坏主要有两种形式：一种是由仿爱夜蛾在壁画表面爬行时对壁画表面产生的破坏，另外一种是由于仿爱夜蛾翅膀拍动而造成的翅尖对起甲壁画的破坏。本文主要从脚爪附着力方面研究仿爱夜蛾在壁画表面爬行时对壁画表面产生的破坏。测试仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的法向抓附力和切向摩擦力，通过仿爱夜蛾在不同粗糙度的模拟壁画表面抓附力和摩擦力的大小，分析仿爱夜蛾脚爪附着力与壁画表面粗糙度之间的关系，以此推断仿爱夜蛾脚爪在壁画表面的附着机理。
2 材料与方法
（1）实验昆虫 实验用的大量仿爱夜蛾成虫采自敦煌莫高窟洞窟中。仿爱夜蛾体重为0.36±0.03g，体长20.5±1.2mm。每次实验时都用捕捉的新鲜昆虫开展实验。
（2）实验装置 仿爱夜蛾的附着力实验装置由高精度六维力传感器、模拟壁画试块、高速摄像机、信号调理器和数据存储计算机组成（图1）。六维力传感器（NANO17，ATI，USA）能检测到仿爱夜蛾与模拟壁画试块表面的接触力。高速摄像机（i-speed 3，Olympus，Japan）可以同步记录仿爱夜蛾运动时脚爪与模拟壁画试块表面接触的图像信息。模拟壁画试块大小均为100mm×100mm（长×宽），厚10mm，重约0.6kg。共16种颜色可以进行更换，依次为群青、雄黄、铁黄、靛蓝、铅白、铅丹、雌黄、朱砂、铅黄、氯铜矿、墨、滑石、熟石膏、天然土红、石青和孔雀石。用粗糙度测量仪（JB-5C，上海泰明，中国）测量16种模拟壁画的表面粗糙度，如表1，按照粗糙度值大小排序。
（3）实验方法 当仿爱夜蛾所有脚爪全部附着于模拟壁画表面时，沿竖直方向（模拟壁画的法向）将仿爱夜蛾快速拉离模拟壁画表面，可得到仿爱夜蛾在模拟壁画表面脚爪的法向抓附力；沿水平方向（平行于模拟壁画表面）将仿爱夜蛾快速拉离模拟壁画表面，可得到仿爱夜蛾在模拟壁画表面脚爪的切向摩擦力。实验数据的均值和标准偏差的计算分析使用软件SPSS（SPSS Inc.， Chicago， USA），实验结果中描述性统计值显示的是平均值±标准偏差（mean±s.d.）。
3 实验结果与讨论
3.1 法向抓附力 仿爱夜蛾脚爪在16种模拟壁画表面的法向抓附力如图2所示。法向抓附力与模拟壁画表面粗糙度之间的关系分布很随机，没有明显规律，法向抓附力与模拟壁画表面粗糙度之间不存在显著的相关性。最大法向抓附力为17.08±3.35 mN，为身体体重的5.1±1.56倍。即在仿爱夜蛾飞离壁画表面时，飞离瞬间脚爪对壁画可以产生最大约为其身体重力6.66倍的法向破坏力。
3.2 切向摩擦力
仿爱夜蛾脚爪在16种不同粗糙度模拟壁画表面的切向摩擦力如图3所示。切向摩擦力与模拟壁画表面粗糙度之间存在显著的相关性。切向摩擦力随着粗糙度的增大呈增加趋势。最大切向摩擦力为42.99±4.68mN，为体重的12.7±2.3倍，对比图2发现，切向摩擦力比法向抓附力大很多。当仿爱夜蛾在壁画表面爬行时，其脚爪对壁画表面的划力最大可以达到身体重力的15倍，这将对壁画产生很严重的破坏，在壁画表面产生划痕。
3.3 仿爱夜蛾在模拟壁画表面的附着模型分析
从摩擦学的角度出发，产生一定的切向摩擦力必须存在法向的正压力。昆虫爬行过程中，法向力和切向力是接触反力的不同分量[10]。法向力是动物在墙面、天花板上黏附能力的展示（此时法向力为负值）。切向力表示了动物与接触面间的静摩擦力或滑动摩擦力的大小。Gorb发现苍蝇在天花板上附着时其脚爪的切向力约为法向力的4倍[11]。Frantsevich测试了斑衣蜡蝉的接触反力，发现其切向力约为法向力的10倍[12]。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的切向摩擦力约为法向抓附力的2.57倍（如图4），最大可达到3.2倍。由此推断仿爱夜蛾脚爪在接触壁画的瞬间，其脚爪首先要产生一个预压性法向抓附力，然后脚爪沿着切向运动，就可以产生摩擦力，保证其能够稳定附着于壁画表面。
仿爱夜蛾在竖直壁画表面和倒置壁画表面附着时的简化模型如图5所示。G为仿爱夜蛾的体重；F为仿爱夜蛾在壁画表面稳定附着时脚爪对壁画表面的作用力；FS为作用力的切向分力，称为切向摩擦力；FV为作用力的法向分力，称为法向抓附力；m为仿爱夜蛾身体的质心；α为仿爱夜蛾腿与接触表面的支撑角。
仿爱夜蛾在竖直壁画表面附着时，其接触反力F及法向分力FV和切向分力FS分别为：
仿爱夜蛾在竖直壁画表面附着时，主要依靠脚爪与接触表面间的切向摩擦力来平衡体重，而在倒置壁画表面附着时主要依靠脚爪与接触表面间的法向抓附力来平衡体重。由式1和式2可知，仿爱夜蛾与接触表面之间的支撑角α越小，越有利于其稳定附着于墙面和天花板。在墙面上附着时，支撑角α越小，法向分力FV越小；在天花板面附着时，支撑角α越小，切向分力FS越大。通常情况下，仿爱夜蛾在接触表面附着时，支撑角α小于45°，则无论是在墙面上还是天花板上附着时，都有法向分力FV小于切向分力FS。实验测得仿爱夜蛾在模拟壁画表面附着时，其切向摩擦力为法向抓附力的2.57倍，与模型计算的结果一致。
4 结 论
本文测试了仿爱夜蛾脚爪在16种模拟壁画表面的法向抓附力和切向摩擦力。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的法向抓附力大小为17.08±3.35mN，这说明在仿爱夜蛾飞离壁画表面时，飞离瞬间脚爪对壁画可以产生最大约为其身体重力5倍的破坏力。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的最大切向摩擦力为42.99±4.68mN，约为身体重力的12.7倍。当仿爱夜蛾在壁画表面爬行时，其脚爪对壁画表面的划力最大可以达到身体重力的15倍，这将对壁画产生很严重的破坏，在壁画表面产生很严重的划痕。
仿爱夜蛾脚爪在壁画表面抓附时，首先要有一定的法向抓附力，才能获得大的切向摩擦力，保证其能够稳定附着于壁画表面。通过建立仿爱夜蛾身体在壁画表面附着的力学模型，分析了切向摩擦力远大于法向抓附力的原因，模型计算结果与实验结果吻合。
参考文献：
[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]汪万福，蔺创业，张国彬，等.甘肃境内石窟寺中壁画有害生物调查与防治对策[J].敦煌研究，2009，118（6）：30-35.
[8]汪万福，蔺创业.损坏敦煌莫高窟壁画的害虫：仿爱夜蛾的生活习性与防治研究[J].昆虫知识，2001，38（4）：282-285.
[9]汪万福，武发思，张国彬，等.仿爱夜蛾成虫对敦煌莫高窟模拟洞窟壁画的选择趋性[J].昆虫学报，2013，56（10）：1181-1188.
[10]吉爱红.动物运动接触反力测试系统、实验与分析[D].南京：南京航空航天大学，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，Fulgoridae）[J].Jo
urnal of Insect Physiology，2008，54（5）：818-827.
关键词：模拟壁画；仿爱夜蛾；附着力；文物保护
中图分类号：K854.3；Q811.21 文献标识码：A 文章编号：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
世界上的许多石窟和寺院是人类重要的文化遗存，也是昆虫的主要生存环境之一。国际上，学者们就昆虫、微生物等对古代木结构建筑、教堂壁画、馆藏文物的危害与防治进行了较为深入的研究[1-4]。昆虫对文物的危害形式主要表现为对文物的啃噬、筑巢、作茧[5]，成虫飞行着落时对文物的冲击以及爬行在文物表面时脚爪对文物的摩擦损伤，昆虫鳞粉及排泄物对文物表面的污染及腐蚀作用等[6]。
汪万福等通过对包括敦煌莫高窟在内的甘肃境内12处石窟寺中112个典型洞窟虫害调查的结果表明，在石窟周边和洞窟中分布着对壁画或塑像有害的昆虫有8目19科27种之多，91.9%洞窟内的壁画或塑像不同程度地受到这些生物的侵害[7]。其中鳞翅目夜蛾科的仿爱夜蛾（Apopestes spectrum）等对莫高窟壁画的损害极为严重[8-9]。敦煌莫高窟壁画地仗层中草纤维及其水解产物、壁画颜料中做黏合剂的动物皮胶或植物胶均是昆虫的食料来源，洞窟冬暖夏凉及隐蔽的环境条件也为昆虫栖息和繁殖提供了有利条件，加速了其对精美壁画的损害。有害生物对石窟壁画的危害问题一直缺乏详细而深入的研究，报道只局限于对昆虫生活习性、发生规律及其防治的初步研究。而昆虫在壁画上爬行时脚爪和壁画相互作用，可使起甲、酥碱严重的壁画脱落，鳞粉及成虫排泄物撒落在壁画表面，严重污染壁画。昆虫对起甲壁画的破坏机理尚不清楚，因此还无法提出切实有效的防治和保护措施。
前期观察研究发现，仿爱夜蛾对壁画的破坏主要有两种形式：一种是由仿爱夜蛾在壁画表面爬行时对壁画表面产生的破坏，另外一种是由于仿爱夜蛾翅膀拍动而造成的翅尖对起甲壁画的破坏。本文主要从脚爪附着力方面研究仿爱夜蛾在壁画表面爬行时对壁画表面产生的破坏。测试仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的法向抓附力和切向摩擦力，通过仿爱夜蛾在不同粗糙度的模拟壁画表面抓附力和摩擦力的大小，分析仿爱夜蛾脚爪附着力与壁画表面粗糙度之间的关系，以此推断仿爱夜蛾脚爪在壁画表面的附着机理。
2 材料与方法
（1）实验昆虫 实验用的大量仿爱夜蛾成虫采自敦煌莫高窟洞窟中。仿爱夜蛾体重为0.36±0.03g，体长20.5±1.2mm。每次实验时都用捕捉的新鲜昆虫开展实验。
（2）实验装置 仿爱夜蛾的附着力实验装置由高精度六维力传感器、模拟壁画试块、高速摄像机、信号调理器和数据存储计算机组成（图1）。六维力传感器（NANO17，ATI，USA）能检测到仿爱夜蛾与模拟壁画试块表面的接触力。高速摄像机（i-speed 3，Olympus，Japan）可以同步记录仿爱夜蛾运动时脚爪与模拟壁画试块表面接触的图像信息。模拟壁画试块大小均为100mm×100mm（长×宽），厚10mm，重约0.6kg。共16种颜色可以进行更换，依次为群青、雄黄、铁黄、靛蓝、铅白、铅丹、雌黄、朱砂、铅黄、氯铜矿、墨、滑石、熟石膏、天然土红、石青和孔雀石。用粗糙度测量仪（JB-5C，上海泰明，中国）测量16种模拟壁画的表面粗糙度，如表1，按照粗糙度值大小排序。
（3）实验方法 当仿爱夜蛾所有脚爪全部附着于模拟壁画表面时，沿竖直方向（模拟壁画的法向）将仿爱夜蛾快速拉离模拟壁画表面，可得到仿爱夜蛾在模拟壁画表面脚爪的法向抓附力；沿水平方向（平行于模拟壁画表面）将仿爱夜蛾快速拉离模拟壁画表面，可得到仿爱夜蛾在模拟壁画表面脚爪的切向摩擦力。实验数据的均值和标准偏差的计算分析使用软件SPSS（SPSS Inc.， Chicago， USA），实验结果中描述性统计值显示的是平均值±标准偏差（mean±s.d.）。
3 实验结果与讨论
3.1 法向抓附力 仿爱夜蛾脚爪在16种模拟壁画表面的法向抓附力如图2所示。法向抓附力与模拟壁画表面粗糙度之间的关系分布很随机，没有明显规律，法向抓附力与模拟壁画表面粗糙度之间不存在显著的相关性。最大法向抓附力为17.08±3.35 mN，为身体体重的5.1±1.56倍。即在仿爱夜蛾飞离壁画表面时，飞离瞬间脚爪对壁画可以产生最大约为其身体重力6.66倍的法向破坏力。
3.2 切向摩擦力
仿爱夜蛾脚爪在16种不同粗糙度模拟壁画表面的切向摩擦力如图3所示。切向摩擦力与模拟壁画表面粗糙度之间存在显著的相关性。切向摩擦力随着粗糙度的增大呈增加趋势。最大切向摩擦力为42.99±4.68mN，为体重的12.7±2.3倍，对比图2发现，切向摩擦力比法向抓附力大很多。当仿爱夜蛾在壁画表面爬行时，其脚爪对壁画表面的划力最大可以达到身体重力的15倍，这将对壁画产生很严重的破坏，在壁画表面产生划痕。
3.3 仿爱夜蛾在模拟壁画表面的附着模型分析
从摩擦学的角度出发，产生一定的切向摩擦力必须存在法向的正压力。昆虫爬行过程中，法向力和切向力是接触反力的不同分量[10]。法向力是动物在墙面、天花板上黏附能力的展示（此时法向力为负值）。切向力表示了动物与接触面间的静摩擦力或滑动摩擦力的大小。Gorb发现苍蝇在天花板上附着时其脚爪的切向力约为法向力的4倍[11]。Frantsevich测试了斑衣蜡蝉的接触反力，发现其切向力约为法向力的10倍[12]。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的切向摩擦力约为法向抓附力的2.57倍（如图4），最大可达到3.2倍。由此推断仿爱夜蛾脚爪在接触壁画的瞬间，其脚爪首先要产生一个预压性法向抓附力，然后脚爪沿着切向运动，就可以产生摩擦力，保证其能够稳定附着于壁画表面。
仿爱夜蛾在竖直壁画表面和倒置壁画表面附着时的简化模型如图5所示。G为仿爱夜蛾的体重；F为仿爱夜蛾在壁画表面稳定附着时脚爪对壁画表面的作用力；FS为作用力的切向分力，称为切向摩擦力；FV为作用力的法向分力，称为法向抓附力；m为仿爱夜蛾身体的质心；α为仿爱夜蛾腿与接触表面的支撑角。
仿爱夜蛾在竖直壁画表面附着时，其接触反力F及法向分力FV和切向分力FS分别为：
仿爱夜蛾在竖直壁画表面附着时，主要依靠脚爪与接触表面间的切向摩擦力来平衡体重，而在倒置壁画表面附着时主要依靠脚爪与接触表面间的法向抓附力来平衡体重。由式1和式2可知，仿爱夜蛾与接触表面之间的支撑角α越小，越有利于其稳定附着于墙面和天花板。在墙面上附着时，支撑角α越小，法向分力FV越小；在天花板面附着时，支撑角α越小，切向分力FS越大。通常情况下，仿爱夜蛾在接触表面附着时，支撑角α小于45°，则无论是在墙面上还是天花板上附着时，都有法向分力FV小于切向分力FS。实验测得仿爱夜蛾在模拟壁画表面附着时，其切向摩擦力为法向抓附力的2.57倍，与模型计算的结果一致。
4 结 论
本文测试了仿爱夜蛾脚爪在16种模拟壁画表面的法向抓附力和切向摩擦力。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的法向抓附力大小为17.08±3.35mN，这说明在仿爱夜蛾飞离壁画表面时，飞离瞬间脚爪对壁画可以产生最大约为其身体重力5倍的破坏力。仿爱夜蛾脚爪在模拟壁画表面的最大切向摩擦力为42.99±4.68mN，约为身体重力的12.7倍。当仿爱夜蛾在壁画表面爬行时，其脚爪对壁画表面的划力最大可以达到身体重力的15倍，这将对壁画产生很严重的破坏，在壁画表面产生很严重的划痕。
仿爱夜蛾脚爪在壁画表面抓附时，首先要有一定的法向抓附力，才能获得大的切向摩擦力，保证其能够稳定附着于壁画表面。通过建立仿爱夜蛾身体在壁画表面附着的力学模型，分析了切向摩擦力远大于法向抓附力的原因，模型计算结果与实验结果吻合。
参考文献：
[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]汪万福，蔺创业，张国彬，等.甘肃境内石窟寺中壁画有害生物调查与防治对策[J].敦煌研究，2009，118（6）：30-35.
[8]汪万福，蔺创业.损坏敦煌莫高窟壁画的害虫：仿爱夜蛾的生活习性与防治研究[J].昆虫知识，2001，38（4）：282-285.
[9]汪万福，武发思，张国彬，等.仿爱夜蛾成虫对敦煌莫高窟模拟洞窟壁画的选择趋性[J].昆虫学报，2013，56（10）：1181-1188.
[10]吉爱红.动物运动接触反力测试系统、实验与分析[D].南京：南京航空航天大学，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，Fulgoridae）[J].Jo
urnal of Insect Physiology，2008，54（5）：818-827.