2.8 强黏附结构
——壁虎脚

根据进化理论，生物往往会改变自身结构、习性和生理以满足与环境相协调的要求，通常它们对自然环境的适应能力越强，其繁衍和生存的机会越多。自然界中的生物通过适应性进化方式，可形成各种生物吸附方式。它们可以贴在墙壁上爬行而不跌落，可以在网状织物上轻松行走，可以在平静的水面一掠而过而不留痕迹。壁虎能够在垂直或倾斜墙壁上快速爬行而不掉落的原因主要归功于其脚掌上数以百万计的纳米级纤毛与吸附表面产生范德华力 ^[14] ；其他生物例如蜘蛛、章鱼、清道夫、蜗牛和水黾等能在极其恶劣的环境下生存，都与其特殊的多级结构或吸盘、类吸盘结构密切相关 ^[15] ，这些特殊结构会产生特定的功能使其更好地适应各种生存环境。

为了深入了解壁虎脚底的神秘强黏附结构，国内外学者从各个角度出发，采用各种方法和途径，试图揭开壁虎飞檐走壁的真正原因和黏附机理，尝试通过仿生的理念开发新技术，促进人类的进一步发展。随着实验条件的完善和技术进步，科学家通过设备清晰地看到微米甚至纳米结构的图像，这时壁虎的黏附机理才得以揭开面纱。

壁虎的足垫有许多条长度约为1~2mm的弧状褶皱。借助扫描电镜对其进行显微观察，发现壁虎的黏附系统是一种多分级、多纤维状表面的结构，在壁虎的每个脚趾上生有许多长度约为30~130μm的刚毛。刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛，如图2-12（见彩插）所示。

得益于该特殊的多分级黏附系统结构，壁虎的脚掌与各种角度的表面都完美地贴合在一起，具有很强的吸附能力，无论是粗糙的表面还是光滑的表面，由于黏附系统中精细到纳米的结构使其都能达到最理想的接触，在大量范德华力的叠加下产生超强的黏附力，使得壁虎具有飞檐走壁的超凡能力。据计算，壁虎1cm ² 面积上的刚毛可产生高达1300N的黏附力，这个数据可能并不直观，我们来做个对比，1300N相当于两个普通成年人的重量，也就是说，壁虎可以吊住两个成年人而纹丝不动，这种力量与壁虎的体型、大小完全不相匹配。从理论上讲，壁虎脚掌能够产生的黏附力超过100kgf，与壁虎的自身重量相比，刚毛最多只发挥出了0.05%的效果，这么大的差异不禁令人产生疑惑。为了解开谜底，科学家从事研究工作时，偶然间发现一个有趣的现象：从30m左右高的树上跳跃而下的一只壁虎，在向地面垂直坠落的过程中，壁虎向附近树叶伸出一只脚将其紧紧黏住。这一现象说明，在某些“极端条件”下，壁虎的刚毛能提供必要的功能。因此，并非一开始壁虎脚下的复杂结构就存在，也许是为了在弱肉强食的原始环境下获得更多生存繁衍的机会，这种精致的结构才逐步在壁虎身上演化出来。壁虎脚掌拥有的黏附力比胶带还黏，它又是如何轻易地从表面脱黏呢？从力学角度来讲，这就是实现“可逆黏附”。此外，在野外环境中壁虎必然需要通过布满灰尘的地带，导致脚趾沾染上灰尘。但出人意料的是，壁虎黏附力不但未受影响，而且能够“挥一挥脚掌，不带走一粒尘土”。究竟是什么原因使得它可以在灰尘遍布的墙壁依旧自如爬行呢？这得益于壁虎脚掌表面的自清洁能力，即超疏水性。这就可以解释为什么水滴能够在荷叶的表面来回滚动，而不是分散黏附在荷叶上。然而，这种超疏水性虽然是荷叶表面和壁虎脚掌表面都具有的，但是壁虎脚掌的超强黏附力是荷叶所不具备的。这种类似荷叶表面的“自清洁能力”和“可逆黏附”一样，是壁虎脚掌为了适应自然环境而进化出的一种双重性功能。如果可以找出壁虎这种具有自清洁能力的原理，那么人类在仿生壁虎超强黏附能力的道路上将向前迈进一大步。

目前，人类虽然研究出的材料还达不到像壁虎脚掌刚毛这样的水平，但是研究这类生物超强黏附能力的最终目的，是将这些技术为人类所用，推动人类的发展。科学家可以设计出代替人类探索完成特殊任务的小型爬壁机器人，这种机器人可以在任意表面行走，适应性强；还可设计出类似壁虎脚掌的黏合剂、登山安全装置和医用绷带，甚至包括足球守门员使用的超强黏性手套等。

基于壁虎足部的多级黏附系统结构，美国斯坦福大学的研究小组设计研发出了一种仿壁虎机器人，其外观形貌和壁虎一样，足底长着人造毛，该人造毛以人造橡胶为基体材料。为了最大化范德瓦尔斯黏性，这种机器人足底微小的聚合体毛垫必须能够保证足底和墙壁的接触面积最大化。如图2-13（见彩插）所示，这种仿壁虎机器人具有四个黏性脚掌，每只脚具有四个脚趾，在每个脚趾上覆盖有数百万根直径约为0.5nm的人造刚毛，借助细小刚毛与工作表面之间产生的范德华力，它就能实现“飞檐走壁”。

关于这种神奇吸力手的作用机理，研制这种仿生壁虎机器人的参与者，科学家Mark Cutkosky这样解释，在每只吸力手上，都存在着几百万根直径仅大约500nm，而长度仅不足2μm的人造橡胶毛发，这种特殊的结构使得当吸力手和玻璃表面非常接近的同时，人造橡胶毛发的分子也非常接近于玻璃壁分子。此时，两者的分子之间会产生被称作“范德瓦尔斯力”的分子弱电磁引力。这种力的神奇之处在于每一对这种力可以提供给毛发大约抓起一只蚂蚁的力量。当这种微小的力经过数百万根毛发的累加就非常巨大。因此，要让机器人能够附着在直壁上，吸力手只需要增大分子接触面。无数“范德瓦尔斯力”集合起来，“粘虫”机器人也就能在墙壁上行走了。事实上，壁虎也是通过使用手掌上数百万根被称为“刚毛”的毛发来完成同样的工作。不仅如此，“粘虫”机器人的优异性能还引起了美国军方的关注，他们计划更深层次地开发这类材料，期待能为作战人员提供爬行手套和爬行服装。 SBX/v/DRNY2f/zqRHSSD7us1W09AB3P4/JK8fGQED7KrYWYZqMBjBWRQ+WZOOowZ