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粪便表情符号背后的物理学奥秘
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- 荷鲁斯快报
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搞笑的表情符号往往隐藏着深刻的科学规律。一项最新研究揭示，智能手机中常见的“粪便表情符号”并非随意设计，其形状实际上遵循着重力与材料力学的物理定律。来自阿姆斯特丹大学物理研究所的丹尼尔·邦（Daniel Bonn）领导的研究团队发现，大多数动物排便时形成的锥形螺旋粪便堆，正是“弹性绳盘绕”定律在现实世界中的体现。
“弹性绳盘绕”定律原本用于描述绳索等柔性材料在外力作用下如何盘绕。研究指出，当动物向下排便时，柔软的粪便被挤出后不断堆叠，每一圈下落的距离逐渐变短，导致线圈尺寸逐步缩小，最终形成底部宽、顶部窄的锥形螺旋结构。这一形状与常见的“粪便表情符号”高度相似，仿佛一圈圈挤出的软冰淇淋。
然而，并非所有动物的粪便都呈现相同形态。研究团队发现，某些蠕虫如沙蚕（lugworm）会“逆重力”向上排便，其粪便在地表堆积时形成类似小塔的结构，线圈半径沿高度基本保持恒定。沙蚕展现的是一种“反重力屈曲”的特殊机械状态，柔软物质沿重力相反方向向上挤出，完全改变了盘绕模式。
这一现象甚至曾让查尔斯·达尔文感到困惑。如今，邦与来自瓦赫宁根大学和研究中心的梅赫迪·哈比比（Mehdi Habibi）、法国国家科学研究中心/巴黎萨克雷大学的尼尔·M·里布（Neil M. Ribe）合作，通过理论分析和实验验证，明确了不同重力与挤出方向下柔软材料的堆积机制。研究表明，材料的刚度、密度以及粪便直径是决定盘绕结构的关键变量。
不同物种之间的主要差异体现在粪便直径上。例如，雨蚯蚓的粪径较小，形成更细的线圈；而体型较大的沙蚕，其排泄物直径更大，构成体积更大的线圈和塔状堆积。这意味着，在物理规律的主导下，生物学因素仅通过调整粪便尺寸来影响最终形态。
研究指出，这些物理原理不仅适用于动物粪便，还广泛应用于食品工业。豌豆面团、意大利面等通过挤出工艺制成的食品，在生产过程中呈现的螺旋、弯曲或波浪形状，都可以用类似的物理模型描述。邦表示，许多面条、意面和糖果的成型过程都遵循盘绕机制。
从工程角度看，这一研究具有潜在应用价值。利用类似的盘绕机制，可以用简单的方式制备弹簧等结构。通过移动基底或调整相对运动轨迹，就能在柔软材料挤出时生成复杂图案甚至功能结构。此前，研究者已利用这种机制制造出多种微结构。
此外，研究团队还计划将科学发现带入数字生活。邦透露，他们正在设计“第二代粪便表情符号”，并准备向统一表情符号标准的Unicode联盟提出建议，未来用户有望在手机上看到更符合物理规律的新款“便便”表情。相关论文已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
