为什么网上的便便总是相似，现实的便便各有各的不同？
这个看似无厘头的困惑，背后其实隐藏着一个简单而又深刻的流变学问题——它不仅决定了便便的造型，更与很多工程问题息息相关。
图片来自动漫剧照
小时候看《喜羊羊与灰太狼》，不知道你有没有认真思考过一个问题：懒羊羊头顶上这个发型，到底为什么长得这么像一坨便便？
图片来自动漫剧照
当然，小时候的我们不会深究，你自然而然地接受了这个在互联网和动漫中所风靡的便便的形象。直到很多年以后，某天当你走进厕所，如行云流水般蹲下，气沉丹田，稍一发力，一阵畅通的舒适自下而上席卷全身。你起身后低头一看，当年的好奇心忽然像普鲁斯特笔下的玛德琳蛋糕一样被重新唤醒，你想起来了许多年前，那个坐在电视机前看《喜羊羊与灰太狼》的午后——等等，为什么我就是拉不出懒羊羊发型这样的便便？
01
当童年的疑问，遇上了一篇 Nature
现实中的便便形态各异：有条状、块状、颗粒状，肠胃不好时还会变成糊状，袋熊甚至能拉出方形。
图片来自网络
然而，从emoji到懒羊羊发型，那种标准得仿佛上过工业设计课的螺旋形便便，现实中却极少见。难道是我们拉的方式不对？其实，自然界里真有动物能轻松拉出“懒羊羊同款发型”。
在欧洲海滩的泥沙上，生活中一种名叫沙蠋(lugworm,学名：Arenicola marina)的环节动物。它们平时藏在沙子下面，吞下含有有机质的沉积物，把能吃的留下，再把剩下的泥沙重新排到地面。于是退潮以后，你经常能在沙滩上看到这样的东西：一圈、一圈，又一圈的便便，甚至盘得比很多人手盘的都标准。
沙蠋(lugworm)和它的便便，图片来自网络
某天，三位科学家在海滩散步时注意到了这个奇特的现象：这些看似不起眼的螺旋形粪便，为什么没有像一团湿泥一样“啪叽”塌下来，而是能够保持细长的形态，并一圈圈盘绕起来？
这个听起来有些离谱的问题，背后却对应着一个严肃的物理问题：柔软细长的材料究竟如何在重力作用下失稳、弯曲，并最终形成稳定结构？于是，他们把这件事认真研究了一番，并将结果发表在了 Nature Communications。
不是，真发了Nature啊
02
一坨粑粑，到底是怎么盘起来的？
为了研究清楚这个问题，研究人员把沙蠋的新鲜粪便放进流变仪，测一测它到底更像固体，还是更像流体。结果发现，它其实是一种很典型的软弹性材料。虽然很软，但更像一根会变形的软绳，而不是一摊会到处流的泥（不信你可以自己戳戳试试手感）。
这就带来了一个很有趣的效果，如果太硬了，它不会乖乖弯；但是如果太稀了，它直接塌掉。而偏偏沙蠋的粑粑就卡在了一个很合适的位置——既能成条，又能弯。
但问题也随之来了：具有软弹性的便便并不少见，为什么偏偏沙蠋能盘成这么规整的一圈？答案不只藏在便便本身，也藏在沙蠋“怎么拉”这件事里。
在潮间带的沙滩下，沙蠋通常藏身于一条深约20至40厘米、大致呈U形或J形的洞穴中。它通常头端朝下位于洞穴最深处的取食端，尾端朝上靠近沙面，身体沿洞穴近乎垂直地伏着；它从头部那个漏斗状凹陷处不断吞食含有机质的泥沙，滤食后把废沙从尾部洞口排出。也就是说，不同于许多动物的从上往下排便方式，沙蠋选择了将粪便从地下往上顶（也就是倒立拉屎）。
沙蠋生存环境示意图[1]
当下面源源不断地往外挤出新便便时，由于重力的作用，新增加的长度又没地方去，最终被盘了起来，就像你那根随着头发越来越长被压弯的呆毛一样。
难道说懒羊羊的发型其实是一根呆毛？图片来自网络
在这个过程中，主要有两个力量在较劲。一边是重力，驱使越来越长的便便倒下；另一个则是另一边是材料本身的弯曲弹性。在竞争之下，最终双方妥协出来一个尺度：
其中R是便便最后盘出来的半径，E是材料强度，描述了材料有多硬，d是它有多粗。分母上的ρ为密度，g是重力加速度。所以就很好理解了：越硬、越粗的“长条”，越难被压弯，最后盘出来的圈自然也就越大。
豌豆粉、米粉、意大利面和沙蠋便便都呈现出了相似的力学特征[1]
为了看看这个规律是不是只对便便有效，研究人员又找来了豌豆面团、米粉和煮软的意大利面等一批性质相近的材料，让它们也来试试“盘绕挑战”。结果，这些平时八竿子打不着的东西，把实验数据放在一起后，竟然都乖乖落在了同一套标度关系上，得到的指数也与理论预测基本吻合。
就这样，意大利面和豌豆面团用实验数据证明了：在物理学面前，它们确实都很有成为便便的潜力。
03
研究便便，到底图什么？
所以研究便便到底有什么用？当然，没有哪家工厂准备照着这篇论文建一条“工业便便生产线”。但这里面的物理，远远不只属于便便。它真正研究的其实是这样一个问题：一根不断被输送出来的柔软长条，在重力、弹性和几何约束的共同作用下，最终会怎样弯曲、盘绕和堆积？
类似的问题，在工程中其实到处都是。比如铺设海底电缆和管线时，人们需要知道一根又长又软的结构落到地面后会怎样弯曲、盘绕。
在铺设跨洋通信电缆时，一根长达数千公里的柔性结构需要从船上缓慢释放，并在复杂海底地形上铺设。铺设过程中的形状变化，直接决定它会不会损坏
制造柔性电子器件时，也要控制细丝落到基底上以后怎样沉积。到了 3D 打印里，人们还会反过来主动利用这种盘绕不稳定性，让挤出的材料自己绕成一圈圈微结构，从而调节打印结构的力学性能。
人们可以故意把打印喷嘴抬高、调整流量和移动速度，让挤出的材料像便便一样发生黏性细丝屈曲和盘绕。通过调节这些微结构，让打印物的有效弹性模量和密度跨越约两个数量级。[9]
熔融玻璃也可以利用类似的“流体缝纫机”效应，在基底上织出复杂的花纹。研究人员可以主动调节这些细丝的排列方式，制造出具有特殊结构和力学性质的三维玻璃材料。
熔融玻璃织出的复杂三维结构[8]
所以绕了一大圈以后你会发现：研究人员看似在研究一坨屎，实际上研究的是一整类细长柔性材料如何弯曲、失稳，并自发形成结构的问题。便便只是刚好贡献了一个异常优秀的天然实验平台。
毕竟网上笑笑也就算了，现实里谁不想急头白脸地研究一通便便动力学然后发一篇Nature啊！
有人拿屎发Nature，有的小编却在屎上雕花
毕竟，人类嘴上可以嫌弃便便，但科学真正关心的，从来不是便便本身，而是藏在这些日常现象背后，那些能够跨越材料、尺度和场景的普适规律。
04
动物界的“拉屎科技树”
值得一提的是，每种动物都有自己的“拉屎科技树”。再往后想一步，其实动物的粑粑为什么长这样，其实本身就是生物进化的智慧。在拉屎这件事情上，大家都展示出了格外的认真。
比如袋熊是目前已知唯一能稳定拉出方块粑粑的动物。而方块正是在大肠末端软硬交替的肠道在收缩过程中一点点把粪便塑造成带棱角的形状。
袋熊的方形便便，图片来自网络
而一些企鹅在孵蛋时不方便离开巢穴，为了解决这一问题，他们进化出了发射的神技。它们可以通过很高的排泄压力，把粪便直接喷离巢穴，减少污染蛋和幼鸟的机会（物理学家甚至真的计算过企鹅粑粑的弹道和直肠压力）。
物理学家手绘的企鹅喷射图[7]
除了沙蠋之外，一些鲨鱼其实也会排出螺旋粪便，这则是归因于他们肠道很短，为了增加吸收营养的面积从而进化出了螺旋肠。
鲨鱼的螺旋形肠道[11]
不同的生活环境在漫长演化中塑造出了不同的消化策略和身体结构，从而带来了不同的排泄方式，而便便的形状，只是我们最后看见的结果。袋熊选择了方块，企鹅选择了喷射，鲨鱼进化出了螺旋。
而住在潮间带的地下的沙蠋，没办法像大多数动物一样直接向外排出，而只能把将排出的泥沙从洞穴深处一点点往外推。在重力、摩擦和泥沙性质的共同作用下，这些柔软的泥沙长条最终自然盘绕，形成了独特的螺旋状粪铸。
但恰恰是这团盘绕后的粪铸保护了他们的洞口，使其不容易被潮水冲散，防止了辛苦挖出的洞口被堵住。对每天生活在沙子下面的沙蠋来说，这个看似奇特的造型，其实是一套经过亿万年优化的生存方案。
05
粑粑的百年研究史
不过，人类研究粑粑，历史其实比想象中更久。早在 1881 年，达尔文就在晚年著作《腐殖土的形成与蚯蚓的作用》中详细观察过蚯蚓粪铸。他记录到，一些蚯蚓刚排出的粪便并不是松散土粒，而是带有明显弯曲、盘卷结构的湿软条状物；只是经过雨淋、干燥和踩踏后，常常会散成我们今天更熟悉的小泥堆。
新鲜的蚯蚓粪铸，图片来自网络
到了现代，研究就更“定量”了。科学家会测人类粪便的含水量、黏度、屈服应力和硬度，还建立了著名的 Bristol 大便分类法用于临床诊断和肠道健康研究。
甚至在 2020 年，还有研究者认真测试“冻起来的人类粪便能不能做刀”只为验证因纽特人极寒天“冻屎为刀”去切东西甚至打猎的传说。最后因为极其有指导意义的实验结果——不能，而拿到了搞笑诺贝尔材料科学奖。值得一提的是，就在前一年，佐治亚理工学院团队也凭着“袋熊的便便为什么是方的”这一世纪谜题，斩获了2019年搞笑诺贝尔物理学奖。
2020年，肯特州立大学的一个团队以论文“实验复制显示，用冷冻人类粪便制成的刀具不起作用”而获得材料科学奖[5]
这些关于人类粪便强度的研究也能帮我们理解，为什么人类很少拉出沙蠋那种标准螺旋。按照沙蠋研究中的标度关系，如果把正常人类粪便近似成直径约3cm的弹性软条。根据2021年研究者测出的硬度和密度数据，人类的粪便的强度E大约在5kPa~10kPa，而一个健康成年人的大便密度大约在1.06g/ml左右。
人类粪便与含水量的关系曲线，在探头直径为6mm时，理想的人类大便的强度大约为21克力，换算为帕斯卡约为7kPa[4]
根据这些数据推算，理想的盘绕半径大约在7厘米。这意味着，若想拉出完美的螺旋，你至少得排出一根长约40厘米、粗细均匀且中途不会断掉的便便。更何况，人类排便通常是顺着重力向下，在盘绕之前，便便往往会先被重力拉直；而沙蠋则是从地下持续稳定地向上挤压。理论上来说人类并非拉不出来，只是咱这“工艺”确实比不上人家。
这是史上最可爱的雪糕头。来自动漫截图
如果你真想用拉的方式 get 懒羊羊同款，不如试试倒立发力。至于能不能成功，我们也很好奇。
本文不构成任何排便姿势指导，请勿在现实中尝试。
参考资料
[1] Habibi, M. et al. Coiling of lugworm feces reveals universal mechanics for the shape of poo. Nature Communications 17, 5449 (2026).
[2] Woolley, S. M. et al. Shear rheological properties of fresh human faeces with different moisture content. Water SA 40, 273–276 (2014).
[3] Lewis, S. J. et al. Stool Form Scale as a Useful Guide to Intestinal Transit Time. Scandinavian Journal of Gastroenterology 32, 920–924 (1997).
[4] Matsuda, K. et al. Direct measurement of stool consistency by texture analyzer and calculation of reference value in Belgian general population. Scientific Reports 11, 2400 (2021).
[5] Penn, R. et al. Review of synthetic human faeces and faecal sludge for sanitation and wastewater research. Water Research 132, 222–240 (2018).
[6] Yang, P. J. et al. Hydrodynamics of defecation. Soft Matter 13, 4960–4970 (2017).
[7] Meyer-Rochow, V. B. et al. Pressures produced when penguins pooh—calculations on avian defaecation. Polar Biology 27, 56–58 (2003).
[8] Brun, P. T. et al. The molten glass sewing machine. Philosophical Transactions of the Royal Society A 375, 20160156 (2017).
[9] Lipton, J. I. et al. 3D Printing Variable Stiffness Foams Using Viscous Thread Instability. Scientific Reports 6, 29996 (2016).
[10] Darwin, C. The Formation of Vegetable Mould through the Action of Worms, with Observations on their Habits. John Murray, London, 1881.（注：此为单作者，不加 et al.）
[11] Diedrich, C. G. et al. Middle Eocene shark coprolites from shallow marine and deltaic coasts of the pre-North Sea Basin in central Europe. Bulletin of the New Mexico Museum of Natural History and Science, 57, 311–318 (2012).
[12] Leigh, S. C. et al. “Shark spiral intestines may operate as Tesla valves.” Proceedings of the Royal Society B, 288: 20211359 (2021).
[13] Jawed, M. K. et al. Coiling of elastic rods on rigid substrates. Proceedings of the National Academy of Sciences 111, 14663–14668 (2014).
[14] Eren, M. I. et al. “Experimental replication shows knives manufactured from frozen human feces do not work.” Journal of Archaeological Science: Reports 27, 102002 (2019).
编辑：蓝多多
本文转载自公众号“中科院物理所”（id：cas-iop）
凡本公众号转载、引用的文章 、图片、音频、视频文件等资料的版权归版权所有人所有，因此产生相关后果，由版权所有人、原始发布者和内容提供者承担，如有侵权请联系删除。