脚趾

第一条线索出现在1965年，当时扫描电子显微镜——一种现在无处不在的成像技术，第一次出现在大学的研究实验室里。在人类历史的大部分时间里，我们只能测量我们能用眼睛看到的东西，所以任何小于40微米的东西都是看不见的。光学显微镜凭借光和一系列透镜，可以让我们看到小至200纳米的物体。这个极限（被称为衍射极限）由光本身的性质决定。就像你无法精确测量比尺子刻度还小的东西一样，这些显微镜也不能分辨小于紫光波长一半的物体。然而，电子的波长只是这个波长的千分之一，而且由于它们带电，所以它们可以被收集到一个聚焦的束中。为了利用电子拍摄图像，我们将电子束扫描安装在真空室内的物体上方。电子与物体相互作用，产生的信号被一系列探测器捕获。随着电子束来回移动，它便会创建一个关于某个物体的极其细致的图像。

就像第一台光学显微镜一样，扫描电子显微镜向包括加州大学鲁道夫·鲁伊瓦尔（Rodolfo Ruibal）和瓦莱丽·恩斯特（Valerie Ernst）在内的科学家展示了一个前所未见的世界。长期以来，他们一直对蜥蜴的脚着迷，并怀疑这些形似毛发的微小刚毛可能是人们了解其攀爬能力的关键。因此，他们将取自大壁虎脚趾的微小皮肤样本放在扫描电子显微镜下，看看能发现些什么。他们首先测量了刚毛，发现其长度在30～130微米之间，和花粉粒大小差不多。我们后来发现，蜥蜴每只脚上大约有100万根刚毛。而扫描电子显微镜赋予我们的更强观察力揭示了其他的东西——每一根刚毛的末端都有严重的分叉情况，形成数百根更小的毛，鲁伊瓦尔和恩斯特称之为“ 铲状匙突 ”。这些分叉末端小得不可思议，正好位于光学显微镜的衍射极限。随着它们的发现，我们对壁虎脚的全貌也有了解：它是一个复杂的层级结构，有不同大小的特征。最大的是皮褶，也就是覆盖每个脚趾的鳞片状皮瓣。每片皮褶上都有一片浓密的刚毛——略微弯曲的微小细毛，而且每根刚毛的顶端都长着数量众多的扁平铲状匙突（见图6）。

就在一年前，动物学家保罗·麦德森（Paul Maderson）证实了刚毛（包括铲状匙突）是由β-角蛋白构成的。这种蛋白是α-角蛋白的更坚硬形式，构成了哺乳动物的指甲和毛发。它并不是黏合剂的理想选择，因为它极其滑溜和坚硬。因此，麦德森得出结论：壁虎神秘的黏附机制不可能归因于材料化学。他认为，答案肯定是一种物理机制：一种由位于鳞片状皮瓣上刚毛之上的那些细毛所创造的巨大表面积决定的机制。这让鲁伊瓦尔和恩斯特重新想到“摩擦一类的因素可能是原因”这一观点，而在过去30年里，情况大抵如此。

时间快进到20世纪90年代末。凯勒·奥特姆当时是一名博士后，效力于美国海军的一个研究项目。他和他的同事们正试图开发能够在岩石表面移动的高度灵活的有腿机器人。一开始，他们将蟑螂作为参照对象。“不过我们很快就意识到，问题出在攀爬上，”他说，“于是我们开始寻找其他可供参照的动物，壁虎引起了我们的注意。”虽然奥特姆在读博士期间曾研究过壁虎的夜间行为，但他坦言，那时他对它们的脚并不了解。“但在埋头研究了几天文献后，我意识到，尽管我们对壁虎的解剖结构有很好的了解，但没有人真正知道它们是如何攀爬的。”这一认识使他走上了一条新的研究道路，直到现在。

陈伟鹏的技巧和耐心为这一研究带来了第一个重大突破，他当时在伯克利，是显微镜方面的专家。他成功从一只大壁虎的脚上取下一根刚毛——仅千分之四毫米宽，并小心翼翼地将其固定在一根大头针上。用这种方式分离刚毛，陈伟鹏、奥特姆和他们的同事可以测量将它从表面拉起所需的力，以及确定一根刚毛的黏附性如何。由此，他们可以估算出一只壁虎的抓持力。他们测到的最大黏附力比任何模型预测的要高10倍。但更有趣的是，他们发现壁虎的脚在默认情况下是不黏的。这些不同寻常的壁虎只有在需要时才会启用它们的黏性，而且它们是通过仔细放置自己的脚趾来实现这一点的。

将你的手掌向下，放在你面前的桌子上。现在慢慢地抬起它，然后观察你的手指会发生什么变化。如果你和我一样，它们会下垂，或者向手掌方向略微弯曲。但正如我在惠灵顿动物园拜访爬行动物专家时所看到的，爬行中壁虎的行为与此全然不同。每次当它们想迈出一步时，它们首先将脚趾尖向后剥离，把脚趾向上卷起离开表面，然后抬起脚完成分离。而每次踏下脚步时，它们则会以相反的程序完成这一过程——首先将脚底板放下来，然后小心翼翼地展开脚趾。伯克利的研究团队意识到，这种卷曲与舒展的动作是控制脚黏性的关键，因为它改变了刚毛和表面之间的角度。“在我们的实验中，将刚毛直接与传感器接触没有任何作用——它完全没有黏性，”奥特姆说，“但是当我们小心翼翼地把它拖下来，使其与传感器保持平行时，我们开始测到巨大的力量。事实上，我们滑得越快，它就越黏！”这是研究人员没想到的。通常情况下，物体只要开始滑动，它就会滑得更快。但壁虎的情况恰恰相反。

它的工作原理是这样的：壁虎脚趾上轻微弯曲的刚毛通常向内弯曲，指向其身体。但是当它们展开脚趾，以便把脚放在垂直表面时，刚毛便会指向相反方向，也就是向前，指向它的爪子。脚向下的轻微滑动（技术上称为剪切力）导致刚毛向外伸展，调动起其尖端纳米级铲状匙突，从而大大增加脚的表面积（在这种结构下，壁虎的脚是黏性的）。当壁虎攀爬时，它的体重也会有影响。在重力牵引下，它脚趾上的刚毛与墙壁的接触更加紧密，这进一步增加了黏性。

换句话说，壁虎实际上需要一点点滑动才能达到完全的黏性。而当它这样做时，结果是惊人的。大多数大壁虎的体重在200～400克之间。但从理论上讲，如果它所有的脚和刚毛都充分地参与进来，一只壁虎可以支撑133千克的重量。壁虎黏附的方向性也意味着它们用前肢拉动得更加用力，这使得它们的前肢比后肢略大。这与人类攀登者形成了对比，后者的大部分力量来自用腿向上推。

对壁虎来说，从“黏”到“不黏”没什么大不了的——只要改变一下刚毛角度便是了，它向前推一下脚并卷起脚趾就能实现这一点。一旦这些微小的刚毛与表面夹角呈30°，它们就会顺利分离，还脚以自由。正是在这里，壁虎展示了它真正的超能力。黏附的能力是一回事，但壁虎可以终其一生在各种表面上一次又一次地黏附和松开。与一条黏性胶带相比——哪怕你设法将它从表面剥离，你也很难重复使用它超过几次。壁虎让脚松脱的速度也很惊人——大壁虎只需15毫秒就能做到，而人类眨一次眼睛至少需要6倍的时间。 这种能力让小小的锯尾蜥虎（ Hemidactylus garnotii ）能以77厘米/秒的速度爬墙，如果我们将其放大到人类的高度，很有可能看到壁虎在尤塞恩·博尔特（Usain Bolt）身后紧追不舍的画面。

这一切的结果是，壁虎的脚成为世界上最敏捷的开关黏合剂。但我故意忽略了一个非常重要的细节——数十亿根细小的刚毛能够使某个事物变黏的实际机制。为此，我们需要放大比刚毛还小的细节，看看铲状匙突本身。 syCZd3+m/0AApFXV994x9H0+wG12s7/xiQB0zLK6Pz44LDmNgLPhhVwb8o9OYp+N