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壁虎超強(qiáng)的黏附能力--隱藏在腳下的奧秘
力學(xué)園地
2016年01月04日？？？？？？？？？？？？？？ 壁虎超強(qiáng)的黏附能力--隱藏在腳下的奧秘
彭志龍[1]，陳少華
中國科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
世界上許多生物在自然界“適者生存”及長期演化中練就了一身特殊的本領(lǐng)，例如，壁虎、蜘蛛、螞蟻等，它們不僅能在垂直墻壁上運(yùn)動(dòng)自如，而且能在天花板上停留和爬行，地球引力對(duì)它們似乎沒什么影響。多少年來，人們對(duì)生物這種飛檐走壁的能力一直眾說紛紜，尤其是體重較大的壁虎。數(shù)千年前人類就已經(jīng)注意到壁虎這種超能力，亞里士多德（Aristotle, B. C. 384-322）曾在《動(dòng)物自然科學(xué)史》中記載：“壁虎即使頭部向下也能在樹上自由上下爬行”[1]。我們不禁要問：是什么使壁虎擁有如此超強(qiáng)黏附力？人類為什么沒有這種超能力？其實(shí)，早在2002年，好萊塢大片《蜘蛛俠》中男主角那身飛檐走壁的本領(lǐng)就形象描述了人類對(duì)這種超能力的向往。
圖1 蜘蛛俠劇照
長期以來，壁虎腳下的奧秘引起了科學(xué)家們濃厚的興趣，國內(nèi)外很多科技工作者一直致力于研究和仿生壁虎這種飛檐走壁的能力，并試圖從各個(gè)方面，利用各種手段，揭示隱藏在其腳下的黏附機(jī)理，而為人類所利用。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，能夠清楚的觀察到微米甚至納米結(jié)構(gòu)的圖像，對(duì)壁虎黏附機(jī)理的研究才取得了重大進(jìn)展。
1、壁虎腳掌黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
壁虎種類雖然多種多樣，但其腳掌黏附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在微觀上卻有驚人的相似（如圖2）。大守宮是亞洲體型最大的壁虎，體長可達(dá)30至40厘米，重達(dá)200至300克，是科學(xué)家常用來研究的對(duì)象。我們用肉眼就能觀察到它柔軟的足墊上呈現(xiàn)出一條條弧狀褶皺，長度約為1-2毫米[2]。上世紀(jì)60年代，隨著掃描電鏡的出現(xiàn)，壁虎足掌上錯(cuò)綜復(fù)雜的黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)才得以揭示。壁虎的黏附系統(tǒng)是一種多分級(jí)、多纖維狀表面的結(jié)構(gòu)，壁虎的每個(gè)腳趾生有數(shù)百萬根細(xì)小剛毛，每根剛毛的長度約為，直徑為數(shù)微米，約為人類頭發(fā)直徑的十分之一，剛毛的末端又分叉形成數(shù)百根更細(xì)小的鏟狀絨毛（100-1000根），每根絨毛長度及寬度方向的尺寸約為，厚度約為（如圖3所示）。
圖2 不同種類壁虎的腳掌結(jié)構(gòu)[2]
圖3 大守宮壁虎腳掌多分級(jí)黏附系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)[1]
2、壁虎腳掌的黏附機(jī)理實(shí)際上，當(dāng)兩固體表面相互靠近時(shí)其間的相互作用力十分復(fù)雜，包括范德華力、靜電力、偶極力、毛細(xì)力等，若要分別區(qū)分出各力的作用，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的而艱巨的任務(wù)，有很大的挑戰(zhàn)。過去一百年來，人們對(duì)壁虎的黏附能力提出了種種猜測(cè)，從黏液、真空壓力到靜電力等，但都被一一否定。直到最近十幾年，壁虎黏附的奧秘終于得以揭示，美國路易斯克拉克學(xué)院Autumn教授及同事于2000年通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)壁虎超強(qiáng)黏附力源于腳掌上大量剛毛與物體表面的分子間作用力，即范德華力。范德華力是中性分子彼此距離非常近時(shí)，產(chǎn)生的一種微弱電磁力，大量范德華力的積累就足以支撐壁虎體重。壁虎這種特殊的多分級(jí)黏附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最小黏附單元達(dá)到納米量級(jí)，保證能輕易的與各種表面達(dá)到近乎完美的結(jié)合，無論多粗糙的表面，由于壁虎最小黏附單元非常精細(xì)，微觀上都接近理想光滑結(jié)構(gòu)，因此兩者能形成理想接觸，進(jìn)而保證大量范德華力德積累產(chǎn)生超強(qiáng)黏附力。根據(jù)Autumn教授最早實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的壁虎單根剛毛最大黏附力約為200微牛，根據(jù)計(jì)算，壁虎每平方厘米面積上的剛毛數(shù)量可達(dá)一萬多根，一只大守宮壁虎腳掌上剛毛數(shù)量約為600萬根，因此可產(chǎn)生高達(dá)1300牛頓（133公斤）的黏附力，理論上可承擔(dān)兩個(gè)普通成年人的重量，這簡直是一股不可思議的力量。
壁虎理論上能夠產(chǎn)生超過100公斤的黏附力，但壁虎本身重量約為100克左右，如此計(jì)算壁虎腳上的剛毛充其量才發(fā)揮0.05%的功效。如此大的差距不禁讓人懷疑這莫非是大自然的“過度設(shè)計(jì)”。但事實(shí)上不然，生物學(xué)家皮安卡與同事某次在亞馬遜河流區(qū)域從事研究工作時(shí)，偶然間看到一個(gè)相當(dāng)有趣的現(xiàn)象：一直壁虎從約30米高的樹上跳躍而起，朝地面豎直降落，就在離地面約7米左右，墜落的壁虎突然朝近鄰樹葉伸出一只腳，接著緊緊黏住樹葉，迅速爬進(jìn)樹葉中消失。該小插曲說明，或許壁虎的剛毛在平時(shí)并未完全發(fā)揮功能，但腳下復(fù)雜的結(jié)構(gòu)絕非大自然的“過度設(shè)計(jì)”，或許為了在激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中生存，壁虎才演化成如此精致結(jié)構(gòu)，并得以繁衍不息。
圖4 從10厘米高度降落的壁虎，只要與樹葉表面滑行1.1厘米的距離，壁虎便能牢固的抓住樹葉[2]
圖 5 即使與表面接觸面積減小，壁虎依然能牢牢黏附于鐵網(wǎng)上
壁虎腳掌擁有如此強(qiáng)勁的黏附力，甚至比膠帶還黏，它又是如何輕易的從表面上脫黏，實(shí)現(xiàn)可逆黏附。壁虎這種特殊的可逆黏附能力，引起了國內(nèi)外科技工作者的廣泛興趣，Autumn教授實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壁虎剛毛在脫黏過程中角度十分重要，唯有在某個(gè)臨界角度下剛毛才能輕易脫黏，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得到該臨界角約為30度左右。我國中國科學(xué)院力學(xué)研究所陳少華研究員對(duì)壁虎等生物的黏附機(jī)理進(jìn)行了多年的理論研究。2006年，陳少華研究員與美國布朗大學(xué)高華健教授合作發(fā)現(xiàn)了壁虎、蚱蜢等昆蟲在運(yùn)動(dòng)時(shí)，依靠腳部襯墊的各向異性實(shí)現(xiàn)黏附和脫黏的運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制，理論揭示壁虎等生物可逆黏附的宏觀機(jī)制[3]，該結(jié)果發(fā)表在國際國體力學(xué)頂級(jí)期刊《力學(xué)與固體物理》雜志，該研究并得到了中央電視臺(tái)等多家媒體報(bào)道。隨后，陳少華研究員課題組進(jìn)一步研究了壁虎可逆黏附的微觀機(jī)制，分別考慮壁虎最小黏附單元尺寸、基底粗糙度、環(huán)境濕度及預(yù)應(yīng)力等因素對(duì)壁虎黏附行為的影響，研究結(jié)果合理解釋了Autumn教授等的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[4,5]。？？
圖6a 壁虎宏觀各向異性黏附模型[3] ？？？？？？？？圖6b 壁虎最小黏附單元（微觀）黏附模型[4]
圖6c 壁虎二級(jí)結(jié)構(gòu)黏附模型[5]
另一方面，壁虎在日常生活中難免會(huì)經(jīng)過布滿灰塵的地帶，腳掌上沾染灰塵，神奇的是壁虎黏附力不但依然強(qiáng)勁，而且能夠“百花叢中過，片葉不沾身”，“動(dòng)一動(dòng)腳掌，不帶走一顆沙?！?。壁虎腳下究竟隱藏著何種玄機(jī)使得壁虎能在沾滿灰塵的墻壁上依然運(yùn)動(dòng)自如。Autumn教授通過對(duì)壁虎直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)壁虎腳掌表面具有類似“荷花效應(yīng)”的自清潔能力（如圖7所示）。
圖 7 開始沾滿灰塵顆粒（箭頭所示）的壁虎剛毛組織（左圖），壁虎爬行幾步后灰塵減少很多（右圖）[6]
與“荷花效應(yīng)”不同，荷葉表面雖然與壁虎腳掌表面同樣具有超疏水能力，但荷葉表面并不具有壁虎的超強(qiáng)黏附力。揭示壁虎這種具有自清潔能力的黏附原理，是人類仿生壁虎超強(qiáng)黏附能力必須攻克的關(guān)鍵問題，目前該方面的研究還相對(duì)較少。3、壁虎黏附能力的仿生研究與應(yīng)用
幾十億年的進(jìn)化與“適者生存”造就了壁虎等生物在各種表面上運(yùn)動(dòng)的能力，這種能力遠(yuǎn)超越了人們的想象。目前，人類還不能達(dá)到這樣的水平，但對(duì)壁虎等生物超強(qiáng)黏附能力的研究，最終目的是為人類所用。例如，我們可以仿生設(shè)計(jì)科學(xué)家稱之為“壁虎帶”的黏合劑，用于外殼手術(shù)用的夾子和縫線、登山者使用的安全裝置、醫(yī)用繃帶、甚至還有足球守門員使用的超強(qiáng)黏性手套等；還可以仿生設(shè)計(jì)適合任意表面行走的微型爬壁機(jī)器人，可以代替人類在特殊環(huán)境中完成一些不適合人類直接完成的任務(wù)。
英國科學(xué)家Geim等仿照壁虎腳掌剛毛的幾何排列構(gòu)造，以電子光束微影與氧離子干刻蝕法在5微米厚的聚酰亞胺薄膜上制備長約2微米，直徑約0.5微米，間距1.6微米的高彈性聚酰亞胺纖維陣列。當(dāng)施加一定預(yù)壓力后，每平方厘米的面積可負(fù)重3牛頓。他們利用這樣的仿