壁虎的「秘密武器」
自從壁虎的吸附作用原理得到解釋以來，利用各種合成材料來模仿壁虎的超強吸附作用已成為材料學界非常熱門的一個話題。
文 / 魏昕宇
壁虎是大家都不陌生的一類小動物，它們不僅廣泛分布於世界各地的野外，許多種類的壁虎還成功適應了人類的環境。人們時常見到它們在牆上、天花板上甚至玻璃窗上行動自如，很少會跌落下來。許多人自然就會提出一個問題：壁虎為什麼會有這種特殊的能力呢？
有的朋友可能會說，壁虎的腳趾上可能有粘性的蛋白質或者其他化學物質，幫助壁虎「粘」在牆上或天花板上。但其實構成壁虎腳趾的蛋白只是一種普通的角蛋白，和構成人指甲的蛋白類似，摸上去並不會覺得很粘。這雖然有點出乎意料，但是仔細想想並不覺得奇怪。大家不妨想像一下，假如在自己的鞋底上塗上一層膠水，還能不能健步如飛呢？恐怕連抬腿都要費勁許多了吧。壁虎需要在各種表面上快速爬行來覓食或者逃避天敵追擊，靠有粘性的物質把自己的腳趾固定住顯然是不行的。實際上，幫助壁虎停留在牆壁或者天花板上的這種吸附力並沒有什麼特別之處，它來源於分子之間的相互吸引，幾乎任意兩個物體互相接觸的時候都會存在這種力。[注1]不過這種吸附力雖然普遍，大多數情況下卻非常微弱，以至於我們幾乎感覺不到它的存在。比如，當我們從餐桌上拿起一個茶杯的時候，我們並不會感覺到茶杯被牢牢地吸在餐桌上。
那麼，為什麼這種本應非常微弱的吸附力會在壁虎身上變得非常強大呢？這個問題直到人們藉助現代化的儀器觀察壁虎的腳趾之後才得到解決。壁虎有四隻腳，每條腳上有五個腳趾。如果我們仔細觀察壁虎腳趾與地面接觸的那一面，也就是與各種表面接觸的那一面，我們可以發現，壁虎腳趾的皮膚並不是光滑的，相反，每個腳趾都包含大約20個條帶狀結構（lamellae），有點像一些汽車輪胎的花紋。然而這並不是壁虎腳趾結構的全部。藉助電子顯微鏡，我們可以發現，這些條帶狀結構都是又更為細小的結構組成的：每個條帶都包含了數千根剛毛（setae），每根剛毛長100多微米（一微米是一米的百萬分之一），直徑只有幾微米。每根剛毛的末端又分化成100－1000根更為細小的結構，稱為絨毛（spatula）。這些絨毛尺寸自然更小，長度和直徑都只有幾百納米（一納米是一微米的千分之一）。絨毛的末端，也就是直接和表面接觸的部分，稱為絨毛墊（spatula pad）[圖1]。[注2,3]想不到吧，看上去很平常的壁虎腳趾竟有著如此精細複雜的微觀結構！
圖1 壁虎腳趾的不同尺度的結構（圖C,D,E為電子顯微鏡照片）。引自文獻[2]
那麼，這些微觀結構究竟起了什麼樣的作用呢？讓我們來做一個粗略的分析，有興趣的朋友不妨跟著我一起動筆算一算。現在假設有一個圓柱體，它的末端是一個半徑為R的半球（圖2）。當這樣一個圓柱體的末端接觸到一個表面上的時候，它們之間的吸附力有多大，也就是說需要多大的力才能把它們分開呢？材料學家告訴我們，這個力的大小是：
F=1.5πRγ
這個公式中的γ是單位面積上的吸附能，我們可以把它簡單看作一個常數。這個公式告訴我們，圓柱體與平面之間的吸附力與這個圓柱體末端球面的半徑而不是截面積成正比。請大家牢記這一點，我們很快就會發現它的神奇之處。
現在我們把這個大的圓柱體分成n個小的圓柱體，每個小的圓柱體的末端也是一個半球，半徑是r（圖2）。如果n是個很大的數目，我們可以認為這些小的圓柱體之間幾乎沒有空隙，這樣的話，這些小的圓柱體的截面積之和應該等於原先的大圓柱體的截面積：
nπr2=πR2
所以每個小圓柱體的末端半徑是：
r=R/n1/2
每個小的圓柱體都會和表面發生作用，所以這種情況下的吸附力是n個小圓柱體單獨產生的吸附力的總和：
F=n(1.5πrγ)=n(1.5πRγ/ n1/2)= 1.5n1/2πRγ
圖2 與表面發生接觸的兩種不同的幾何體。左：單獨的一個圓柱體。右：該圓柱體被分成n個小的圓柱體。
看到了嗎，如果我們把一個大的圓柱體分成100個小的圓柱體的時候，那麼我們可以得到的吸附力是原先的10倍。雖然這只是一個非常粗略的估算，卻非常直觀地告訴我們，一個物體與其他表面之間的吸附能力可以通過在這個物體的表面產生微觀結構來大大增強，而壁虎和其他許多動物也是這樣做的。我們剛剛提到過，壁虎的每個腳趾上有大約20萬根剛毛，每根剛毛的末端又包含至少數百根絨毛，那麼也就不難想像壁虎的腳趾能夠提供多麼強大的吸附能力了。根據計算和實際測量的結果，壁虎腳趾上的這些微觀結構在與表面接觸時，產生的吸附力能夠承載幾十千克的重量，支撐一隻重量只有幾十到一百多克的壁虎自然是綽綽有餘了。[注4]事實上，不僅壁虎，蒼蠅、甲蟲等昆蟲和蜘蛛也是靠腿部末端的這些微小結構來增強吸附到表面上的能力，而且有意思的是，由於昆蟲和蜘蛛要比壁虎輕很多，支撐它們身體重量需要的吸附力也就小很多，所以跟壁虎相比，它們腿部末端的微觀結構數量要少很多，尺寸也大一些（圖3）。[注5]另外，當壁虎的腳趾和表面接觸時，除了垂直於表面方向的吸附作用力，還會有平行於表面的摩擦力。當壁虎停留在垂直的牆面上時，摩擦力也會幫助壁虎克服自身的重量。[注3]
圖3 幾種動物足部微觀結構的對比。引自參考文獻[5]
講到這裡，細心的朋友可能會問，既然壁虎的腳趾與牆面的吸附力如此之強，壁虎在爬行的時候又是如何克服這種吸附作用呢？這依舊得益於壁虎腳趾獨特的微觀結構。剛才提到過，壁虎的每個腳趾上有數十萬根剛毛，每根剛毛末端又分化成幾百至上千根絨毛, 而與表面直接接觸的是絨毛末端的絨毛墊。絨毛和絨毛墊之間的夾角並非固定不變，而是可以通過彎曲腳趾在0到90度之間變化，也就是說壁虎腳趾絨毛和腳趾接觸的平面之間的夾角是可以變化的。 目前被比較廣泛接受的結論是，當這個夾角變小時，壁虎腳趾與它接觸的平面之間的吸附力和摩擦力都會增強。所以，當一隻壁虎想要停留在一個平面上的時候，它會讓腳趾向靠近平面的方向彎曲，讓這個夾角盡量小，這樣強大的吸附力和摩擦力會幫助壁虎牢固地停留在這個平面上；而當壁虎需要爬行的時候，它的腳趾會向反方向彎曲，讓這個夾角接近90度。這時吸附力和摩擦力都會變得非常小，壁虎可以輕而易舉地移動自己的腳（圖4）。[注3]人們發現，壁虎只需要十幾毫秒就可以讓它的腳趾脫離接觸的表面，看來壁虎的吸附能力真是「召之即來，揮之即去」。
圖4 壁虎腳趾的微觀結構在吸附和脫離吸附時的變化。圖A：壁虎腳趾剛剛接觸一個表面時，絨毛與表面之間夾角接近90度，吸附力和摩擦力較弱。圖B：壁虎腳趾絨毛與表面之間夾角變小，吸附力和摩擦力增強。圖C：壁虎需要移動時，腳趾絨毛與表面之間夾角變大，吸附力和摩擦力重新變弱。引自參考文獻[3]
最後再簡單介紹一下壁虎的吸附能力中另一個非常有趣的特點，那就是它們可以長時間活動而腳趾卻不容易被弄髒。這又是為什麼呢？要回答這個問題就要先了解表面能這個重要概念。簡單說來，不同的材料表面能有高有低，表面能高的材料，水、塵埃等各種雜質喜歡跑到表面能高的材料表面，而不喜歡錶面能低的材料。所以某些表面能非常低的材料，比如不粘鍋的塗層聚四氟乙烯，就很難被其他物質吸附，即使有吸附上去的雜質也很容易清潔掉。構成壁虎腳趾的角蛋白本身表面能就不算高，腳趾上的微觀結構還可以進一步降低腳趾的表面能。所以即便有雜質沾到壁虎的腳趾上，它們也並不喜歡呆在這些微觀結構上面。壁虎在爬行時，一有機會，這些雜質就跑到表面能更高的地方上去了，所以壁虎的腳趾也就容易保持清潔。[注2]
通過以上的介紹，各位朋友也許會驚嘆看上去不起眼的壁虎竟有著如此強大的「秘密武器」。自從壁虎的吸附作用原理得到解釋以來，利用各種合成材料來模仿壁虎的超強吸附作用已成為材料學界非常熱門的一個話題。雖然目前各種模仿壁虎腳趾的合成材料還或多或少地存在一些缺陷，但我想在不久的將來，壁虎的「秘密武器」一定會在我們的生活中發揮更大的作用。
魏昕宇 |科學公園主編，高分子科學與工程專業博士。
參考資料
[1] K. Autumn, M. Sitti, Y. A. Liang, A. M. Peattie, W. R. Hansen, S. Sponberg, T. W. Kenny, R. Fearing, J. N. Israelachvili, R. J. Full, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2002, 99, 12252
[2] R. Hansen, K. Autumn, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2005, 102, 385
[3] Y. Tian, N. Pesika, H. Zeng, K. Rosenberg, B. Zhao, P. McGuiggan, K. Autumn, J. Israelachvili, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2006, 103,19320
[4] http://geckolab.lclark.edu/dept/geckostory.html
[5] E. Arzt, S. Gorb, R. Spolenak, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2003, 100,10603
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