撰文:Stefan Sirucek
編譯:向淑容

 

自然界中充滿了攀爬專家,但是大概沒有一種動物比壁虎更令人驚嘆了。

 

這種小小的爬蟲類當中有許多都是因為具有黏著力的腳趾而為人所熟知,黏黏的腳趾能讓牠們像蜘蛛人一樣爬上垂直的牆面、倒掛在天花板上,並且牢牢地抓住像玻璃那樣平滑的表面。

在這個特寫畫面中可看見大守宮複雜的腳趾構造。 Photograph by Keller Autumn
在這個特寫畫面中可看見大守宮複雜的腳趾構造。
Photograph by Keller Autumn

壁虎的優異黏著力實在太驚人,科學家十幾年來都在努力複製這個機能,滿足人類日常事務用途,例如膠帶與膠水。

 

現在,一份發表於8月12日《應用物理學期刊》Journal of Applied Physics)的新研究論文揭露了壁虎控制黏著度的部分複雜機制。

 

科學家利用模型來展示出大守宮(一個東南亞的原生種)能夠變換腳趾上的毛髮角度,使其黏性減弱。

 

大自然的幾何學

其他動物利用分泌物或爪子等工具來黏附在表面上,壁虎則是使用一種錯綜複雜的系統,叫作「乾式黏著」。

 

這種系統的形成是靠著一種稱為「凡得瓦力」的現象。原子中的電子產生一個磁場並刺激及吸引另一個鄰近原子中的電子時,就會出現這種現象。

 

「凡得瓦力是所有原子間力當中最微弱的一種,」研究報告共同撰文者P. Alex Greany說。他是美國俄勒岡州立大學機械工程學教授。「壁虎能運用這種實在很弱的力量,真的很令人吃驚。」

 

牠們透過善用腳趾構造來達成此舉,壁虎的腳趾上有數百萬根細微的纖毛,這些纖毛末端分岔成有數十億個極微小的接觸點,稱為「匙突」。

東南亞原生的大守宮以優異的攀爬能力而為人所知。 Photo by Keller Autumn
東南亞原生的大守宮,其優異的攀爬能力相當有名。
Photo by Keller Autumn

Greany表示,匙突令壁虎與表面接觸的面積最大化,將牠們的體重分散開來,讓牠們和表面之間的吸引力呈指數性增長。

 

黏與不黏的祕訣

然而壁虎跨步的時候,要如何跟表面分離呢?Greany和他的團隊發現,關鍵就在壁虎腳趾上那些細微毛髮的斜角。

 

這些科學家利用一個數學模型計算出壁虎可以直接改變纖毛的角度,輕易地讓自己和表面分離。

 

此外Greany還說,纖毛不只是有角度而已,而且還是捲的——這讓壁虎得以儲存大量的精力,並且非常迅速地改變角度。

 

實際上,捲曲的纖毛就像是個「裝了彈簧的分離裝置,」美國俄勒岡州路易斯-克拉克學院生物力學教授Kellar Autumn說。他並未參與這次的研究。

 

Autumn的團隊在2002年證實了壁虎會運用凡得瓦力,他也說這次的新發現就該理論與壁虎所使用的黏著方式而言,是一大進展。

 

「最讓人讚嘆的是這個系統在平衡與協調上的細緻程度,」Greany補充道。「我們對它有某種程度的認識,而隨著對它的了解愈來愈深入,我們也發現其中牽涉了非常精密的相互作用。」

 

Greany表示,壁虎纖毛的斜角和彈性結合起來,就是改變黏著度的關鍵。

 

壁虎科技

這項新研究將幫助科學家開發機械夾爪或機器人腳板專用的可重複使用黏著劑——Greany說,這樣就能做出會爬牆或抓握物品的機器人了。

 

Autumn也同意,由壁虎啟發的技術可以應用在從先進科技(例如適用於極端環境或災區的機器人)到日常生活(像是組裝未來的行動電話)等領域。

 

既然壁虎科技的未來大有可為,或許也該來讚揚真正的立功者了。

 

「奈米黏著結構是截然不同的黏著方式,」Autumn說,「我認為要不是壁虎先這麼做的話,工程師也不會發明它。」

 

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