仿愛夜蛾在敦煌莫高窟模擬壁畫表面的附著力研究

吉愛紅等

內容摘要：昆蟲在壁畫表面運動與附著時，會對壁畫表面產生破壞。本文研究了仿愛夜蛾在敦煌莫高窟模擬壁畫表面的附著力。仿愛夜蛾在壁畫表面附著時，首先產生一定的法向抓附力，才能獲得較大的切向摩擦力，保證其能夠穩定附著于壁畫表面。其腳爪對壁畫表面的最大劃力可以達到身體重力的15倍，從而造成壁畫表面的細微劃痕甚至引起起甲壁畫的脫落。

關鍵詞：模擬壁畫；仿愛夜蛾；附著力；文物保護

中圖分類號：K854.3；Q811.21 文獻標識碼：A 文章編號：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重要的文化遺存，也是昆蟲的主要生存環境之一。國際上，學者們就昆蟲、微生物等對古代木結構建筑、教堂壁畫、館藏文物的危害與防治進行了較為深入的研究[1-4]。昆蟲對文物的危害形式主要表現為對文物的啃噬、筑巢、作繭[5]，成蟲飛行著落時對文物的沖擊以及爬行在文物表面時腳爪對文物的摩擦損傷，昆蟲鱗粉及排泄物對文物表面的污染及腐蝕作用等[6]。

汪萬福等通過對包括敦煌莫高窟在內的甘肅境內12處石窟寺中112個典型洞窟蟲害調查的結果表明，在石窟周邊和洞窟中分布著對壁畫或塑像有害的昆蟲有8目19科27種之多，91.9%洞窟內的壁畫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夜蛾（Apopestes spectrum）等對莫高窟壁畫的損害極為嚴重[8-9]。敦煌莫高窟壁畫地仗層中草纖維及其水解產物、壁畫顏料中做黏合劑的動物皮膠或植物膠均是昆蟲的食料來源，洞窟冬暖夏涼及隱蔽的環境條件也為昆蟲棲息和繁殖提供了有利條件，加速了其對精美壁畫的損害。有害生物對石窟壁畫的危害問題一直缺乏詳細而深入的研究，報道只局限于對昆蟲生活習性、發生規律及其防治的初步研究。而昆蟲在壁畫上爬行時腳爪和壁畫相互作用，可使起甲、酥堿嚴重的壁畫脫落，鱗粉及成蟲排泄物撒落在壁畫表面，嚴重污染壁畫。昆蟲對起甲壁畫的破壞機理尚不清楚，因此還無法提出切實有效的防治和保護措施。

前期觀察研究發現，仿愛夜蛾對壁畫的破壞主要有兩種形式：一種是由仿愛夜蛾在壁畫表面爬行時對壁畫表面產生的破壞，另外一種是由于仿愛夜蛾翅膀拍動而造成的翅尖對起甲壁畫的破壞。本文主要從腳爪附著力方面研究仿愛夜蛾在壁畫表面爬行時對壁畫表面產生的破壞。測試仿愛夜蛾腳爪在模擬壁畫表面的法向抓附力和切向摩擦力，通過仿愛夜蛾在不同粗糙度的模擬壁畫表面抓附力和摩擦力的大小，分析仿愛夜蛾腳爪附著力與壁畫表面粗糙度之間的關系，以此推斷仿愛夜蛾腳爪在壁畫表面的附著機理。

2 材料與方法

（1）實驗昆蟲 實驗用的大量仿愛夜蛾成蟲采自敦煌莫高窟洞窟中。仿愛夜蛾體重為0.36±0.03g，體長20.5±1.2mm。每次實驗時都用捕捉的新鮮昆蟲開展實驗。

（2）實驗裝置 仿愛夜蛾的附著力實驗裝置由高精度六維力傳感器、模擬壁畫試塊、高速攝像機、信號調理器和數據存儲計算機組成（圖1）。六維力傳感器（NANO17，ATI，USA）能檢測到仿愛夜蛾與模擬壁畫試塊表面的接觸力。高速攝像機（i-speed 3，Olympus，Japan）可以同步記錄仿愛夜蛾運動時腳爪與模擬壁畫試塊表面接觸的圖像信息。模擬壁畫試塊大小均為100mm×100mm（長×寬），厚10mm，重約0.6kg。共16種顏色可以進行更換，依次為群青、雄黃、鐵黃、靛藍、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。用粗糙度測量儀（JB-5C，上海泰明，中國）測量16種模擬壁畫的表面粗糙度，如表1，按照粗糙度值大小排序。

（3）實驗方法 當仿愛夜蛾所有腳爪全部附著于模擬壁畫表面時，沿豎直方向（模擬壁畫的法向）將仿愛夜蛾快速拉離模擬壁畫表面，可得到仿愛夜蛾在模擬壁畫表面腳爪的法向抓附力；沿水平方向（平行于模擬壁畫表面）將仿愛夜蛾快速拉離模擬壁畫表面，可得到仿愛夜蛾在模擬壁畫表面腳爪的切向摩擦力。實驗數據的均值和標準偏差的計算分析使用軟件SPSS（SPSS Inc.， Chicago， USA），實驗結果中描述性統計值顯示的是平均值±標準偏差（mean±s.d.）。

3 實驗結果與討論

3.1 法向抓附力

仿愛夜蛾腳爪在16種模擬壁畫表面的法向抓附力如圖2所示。法向抓附力與模擬壁畫表面粗糙度之間的關系分布很隨機，沒有明顯規律，法向抓附力與模擬壁畫表面粗糙度之間不存在顯著的相關性。最大法向抓附力為17.08±3.35 mN，為身體體重的5.1±1.56倍。即在仿愛夜蛾飛離壁畫表面時，飛離瞬間腳爪對壁畫可以產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

仿愛夜蛾腳爪在16種不同粗糙度模擬壁畫表面的切向摩擦力如圖3所示。切向摩擦力與模擬壁畫表面粗糙度之間存在顯著的相關性。切向摩擦力隨著粗糙度的增大呈增加趨勢。最大切向摩擦力為42.99±4.68mN，為體重的12.7±2.3倍，對比圖2發現，切向摩擦力比法向抓附力大很多。當仿愛夜蛾在壁畫表面爬行時，其腳爪對壁畫表面的劃力最大可以達到身體重力的15倍，這將對壁畫產生很嚴重的破壞，在壁畫表面產生劃痕。

3.3 仿愛夜蛾在模擬壁畫表面的附著模型分析

從摩擦學的角度出發，產生一定的切向摩擦力必須存在法向的正壓力。昆蟲爬行過程中，法向力和切向力是接觸反力的不同分量[10]。法向力是動物在墻面、天花板上黏附能力的展示（此時法向力為負值）。切向力表示了動物與接觸面間的靜摩擦力或滑動摩擦力的大小。Gorb發現蒼蠅在天花板上附著時其腳爪的切向力約為法向力的4倍[11]。Frantsevich測試了斑衣蠟蟬的接觸反力，發現其切向力約為法向力的10倍[12]。仿愛夜蛾腳爪在模擬壁畫表面的切向摩擦力約為法向抓附力的2.57倍（如圖4），最大可達到3.2倍。由此推斷仿愛夜蛾腳爪在接觸壁畫的瞬間，其腳爪首先要產生一個預壓性法向抓附力，然后腳爪沿著切向運動，就可以產生摩擦力，保證其能夠穩定附著于壁畫表面。

仿愛夜蛾在豎直壁畫表面和倒置壁畫表面附著時的簡化模型如圖5所示。G為仿愛夜蛾的體重；F為仿愛夜蛾在壁畫表面穩定附著時腳爪對壁畫表面的作用力；FS為作用力的切向分力，稱為切向摩擦力；FV為作用力的法向分力，稱為法向抓附力；m為仿愛夜蛾身體的質心；α為仿愛夜蛾腿與接觸表面的支撐角。

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

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

4 結 論

本文測試了仿愛夜蛾腳爪在16種模擬壁畫表面的法向抓附力和切向摩擦力。仿愛夜蛾腳爪在模擬壁畫表面的法向抓附力大小為17.08±3.35mN，這說明在仿愛夜蛾飛離壁畫表面時，飛離瞬間腳爪對壁畫可以產生最大約為其身體重力5倍的破壞力。仿愛夜蛾腳爪在模擬壁畫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。當仿愛夜蛾在壁畫表面爬行時，其腳爪對壁畫表面的劃力最大可以達到身體重力的15倍，這將對壁畫產生很嚴重的破壞，在壁畫表面產生很嚴重的劃痕。

仿愛夜蛾腳爪在壁畫表面抓附時，首先要有一定的法向抓附力，才能獲得大的切向摩擦力，保證其能夠穩定附著于壁畫表面。通過建立仿愛夜蛾身體在壁畫表面附著的力學模型，分析了切向摩擦力遠大于法向抓附力的原因，模型計算結果與實驗結果吻合。

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