壁虎是輕功的始祖？百花叢中過，片葉不沾身

說起多級結構的應用，其中一個非常有意思的例子就是壁虎那神奇的攀牆能力。

自然界幾十億年的進化與「適者生存」的法則造就了壁虎等生物在各種表面上運動的能力，這種能力遠遠超越了人們的能力與想像。壁虎不僅能在垂直的牆壁上自如地跑步，而且能在天花板上停留和爬行——就好像他們自身的重力對運動過程沒什麼影響似的。

多年以來，人們對壁虎這種飛檐走壁的能力一直眾說紛紜。長期以來，很多人都確信它們的腳部有個吸盤，從而能夠牢固地粘在牆上。事實上，這種臆測完全沒有科學道理。

壁虎能夠在牆上飛速奔跑的主要原因，還是在於它們的腳掌具有神奇的結構。

科學家們對一種叫做大守宮的壁虎進行了研究。這是亞洲體型最大的一種壁虎，體長可達30至40厘米，重達200至300克。用肉眼就能觀察到它柔軟的足墊上呈現出一條條弧狀褶皺，長度約為1–2毫米。把大守宮的腳掌放在電子顯微鏡下仔細觀察，發現壁虎的腳掌具有多級、多纖維狀表面的結構。

實際上，壁虎的每個腳趾上生有數百萬根細小的剛毛，每根剛毛的長度約為30–130微米；剛毛的直徑為幾個微米，這個尺寸大約是人類頭髮直徑的十分之一；剛毛的末端又分叉形成了數百根更為細小的鏟狀絨毛。

科學家們已經通過實驗證明，壁虎這種超強的黏附力主要來源於腳掌上的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的距離很近時產生的一種微弱電磁力；由於壁虎的腳部分布著無數細小的剛毛以及更小的顯微結構，這就組成了一種多級結構，從而產生大量的范德華力，這些力的疊加就足以支撐壁虎的體重。

然而，關於壁虎還有一些更為令人驚訝的事情。

例如，壁虎在日常生活中難免要經過布滿灰塵的地帶，腳掌上肯定會沾染灰塵。但是奇怪的是，壁虎的黏附力沒有受到絲毫影響，不但依然非常強勁，而且能夠「百花叢中過，片葉不沾身」，「動一動腳掌，不帶走一顆沙粒」。

科學家們通過對壁虎進行直接的實驗測試，發現壁虎腳掌表面具有類似「蓮花效應」的自清潔能力。儘管荷葉的表面也具有超疏水性，但是它卻不具備像壁虎腳掌那樣超強的粘附能力。同時，壁虎在運動過程中，還需要使腳掌快速脫離牆面，從而儘快減少粘附力，這種超強的能力是壁虎的腳掌適應自然環境的一種重要功能。

根據壁虎的這種特殊本領，我們可以仿生設計出一種名叫「壁虎帶」的黏合劑，可以用在外科手術使用的夾子和縫線、登山者使用的安全裝置和醫用繃帶、足球守門員使用的超強黏性手套等方面。我們還可以仿生設計出適合在任意表面行走的微型爬壁機器人，可以代替人類在特殊環境中完成一些不適合人類直接完成的任務。

除了壁虎之外，還有很多小動物，如甲蟲、蒼蠅、蜘蛛等的腳掌結構在長期的自然演化過程中也具備了經過優化的微結構。它們大都能在牆壁上停留，甚至能在光滑的玻璃上站立，說明它們的角爪也具有很強的粘附力。

這些動物的爪子尖端部分的直徑介於0.2微米到5微米左右；而體格越大的動物，腳掌絨毛尖端結構越複雜。這些都進一步說明，如果要獲得超強的粘附能力，腳部必須擁有複雜的多級結構，而這些生物都長成了這種結構來適應自然界。

以上內容選自《微力無邊：神奇的毛細和浸潤現象》，清華大學出版社2016年6月出版，有刪改。

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