蜂巢為什么是六邊形的？

六邊形結(jié)構(gòu)在自然界是廣泛存在的，很多生物都以六邊形結(jié)構(gòu)為基本單元并維持著優(yōu)良的生命結(jié)構(gòu)，其中體現(xiàn)了優(yōu)良的機(jī)械性能，例如：蜂巢，樹(shù)蛙腳蹼，蛇體表鱗片等。為何蜜蜂會(huì)打造出完美的六邊形蜂巢？這當(dāng)然不是什么神秘的力量，而是其中富含的深刻數(shù)學(xué)和物理學(xué)道理。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解釋，我們最經(jīng)常聽(tīng)到的是——蜜蜂是了不起的建筑設(shè)計(jì)師，擁有高超的數(shù)學(xué)計(jì)算能力。在18世紀(jì)初，法國(guó)學(xué)者馬拉爾奇系統(tǒng)地測(cè)量許多蜂巢的尺寸，令他驚訝的是，這些蜂巢底邊的所有銳角都是70°32′，所有鈍角都是109°28′。然而，更加令人驚嘆的是，世界上所有的蜂巢結(jié)構(gòu)都是建立在這個(gè)統(tǒng)一的角度和模式之上的。

我們知道，蜂巢由蜂蠟制成，蜂蠟是工蜂制造的一種特殊物質(zhì)。為了制作足夠的蠟，工蜂需要消耗大量的能量，因此也必須消耗大量的蜂蜜。據(jù)科學(xué)家研究估計(jì)，蜜蜂每生產(chǎn)30毫升的蠟，必須消耗240毫升的蜂蜜。想象一下，蜜蜂必須采集多少朵花才能將花蜜轉(zhuǎn)化為240毫升的蜂蜜??！

因此，我們就不難理解為什么蜜蜂要把自己的巢建造成六邊形了。假設(shè)我們想用相同形狀和大小的圖形密鋪一個(gè)平面，那么只有3種正多邊形可以做到：正三角形、正方形和正六邊形。在鋪滿同等面積的情況下，使用正六邊形所需要的周長(zhǎng)之和最小。這就不難理解蜜蜂為什么會(huì)選擇六邊形了，因?yàn)榉涑彩怯梅湎炞龅?，而蜜蜂產(chǎn)出蜂蠟是消耗能量的，它們當(dāng)然希望省些力氣——這點(diǎn)小心思就跟打工人想少搬幾塊磚一樣。

蜂巢結(jié)構(gòu)節(jié)約材料的優(yōu)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)以后，人們受到啟發(fā)將這種蜂巢結(jié)構(gòu)應(yīng)用到其他領(lǐng)域中。在航空航天領(lǐng)域，如：航天飛機(jī)、航天器、衛(wèi)星等航天器械內(nèi)部都應(yīng)用了一個(gè)或多個(gè)蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料，并且衛(wèi)星的外殼幾乎都是由蜂巢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成的。實(shí)踐證明，這些帶有氣泡的蜂巢材料既具有保溫性，又具有隔熱性，建造而成的結(jié)構(gòu)輕便且具有美觀性。美國(guó)鉑固定輪胎和威斯康星州麥弗森聚合物研究中心研制了一種新型的仿生蜂巢輪胎，該輪胎充分利用了蜂巢狀六邊形的結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量小、防爆、驅(qū)動(dòng)噪音低、摩擦發(fā)熱小等特點(diǎn)。

蜂巢結(jié)構(gòu)及仿蜂巢建筑結(jié)構(gòu)

在水面上吹過(guò)泡泡的小伙伴會(huì)發(fā)現(xiàn)這些泡泡最后都會(huì)變成六邊形或者近似于六邊形的形狀。蜂巢中的六邊形尚且有個(gè)“幕后推手”——說(shuō)的就是蜜蜂，那么這些泡泡的形狀形成背后又是誰(shuí)在控制著呢？

一個(gè)泡泡，在物理學(xué)上泡泡內(nèi)的空氣會(huì)盡可能多得填充空間，但同時(shí)泡泡表面的張力又會(huì)限制泡泡的周長(zhǎng)要盡可能的小，也就是說(shuō)要滿足面積最大且周長(zhǎng)最小的條件。19世紀(jì)末，比利時(shí)物理學(xué)家Joseph Plateau計(jì)算出120°的交角也正是物理上最穩(wěn)定的排列結(jié)構(gòu)，此時(shí)膜上受力均衡，泡泡會(huì)堆出六邊形。也就是說(shuō)完美滿足“面積最大周長(zhǎng)最小”這個(gè)條件的就是六邊形。因此，如果我們?cè)谒嫔洗灯鹨粚优菖?，其連接處便會(huì)形成約為120°的夾角，而泡泡也會(huì)在四周的“夾擊”下形成一個(gè)六邊形。

除此之外，有研究發(fā)現(xiàn)樹(shù)蛙的腳蹼具有凸起的微納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出六邊形的形狀。分析結(jié)果表明，其腳掌表面六邊形結(jié)構(gòu)的界面間粘液的表面張力和粘性作用使得樹(shù)蛙腳掌具有很強(qiáng)的爬升能力，讓樹(shù)蛙在活動(dòng)的過(guò)程中具有較好的粘著和摩擦性能，運(yùn)動(dòng)能耗盡可能低。

樹(shù)蛙腳掌及其表面六邊形結(jié)構(gòu)

了解完這些后，我們不得不感嘆大自然的鬼斧神工！有科學(xué)家說(shuō)大自然鐘愛(ài)效率，有的說(shuō)大自然在尋求最節(jié)能的方式，也有的說(shuō)大自然是遵循著數(shù)學(xué)規(guī)律。在45億年的進(jìn)化和生存競(jìng)爭(zhēng)中，動(dòng)物和植物形成了許多美妙的幾何結(jié)構(gòu)和精巧的材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，深入研究其中蘊(yùn)藏的奧秘，也許能給我們解決問(wèn)題提供新的思路！