互动科普

在夏季，你有时会不经意地看到一只小动物趴在墙上，一动不动。但当你走近时，它立刻就在墙上飞奔起来，不一会儿就爬到了更高处，甚至天花板上。这种飞檐走壁的小动物就是壁虎，它堪称动物界的攀岩大师。

我们在生活中提到的壁虎，是能够在墙壁上行走的爬行动物的泛称。按物种系统归类，它们大多属于爬行纲蜥蜴目壁虎科。在中国，通常我们看到的是其中壁虎属的成员，如无蹼壁虎、多疣壁虎、中国壁虎等。在岭南一带，还有一种大壁虎，体长可达40厘米，是壁虎属里体型最大的生物，也是科学家们研究的主要对象。

高效黏附

早在两千年前，亚里士多德就注意到壁虎的特殊运动本领，曾在《动物志》中记录道：“壁虎可以自由地在树上爬行，即使头朝下也毫无影响。”两千多年来，人们就壁虎为什么能在墙上爬行提出了各种猜测。比如说壁虎脚上有吸盘，能利用大气压力吸附在墙上。也有看法认为壁虎脚上有钩子，能够像登山钩一样钩在墙上。直到1965年，美国科学家鲁道夫·鲁伊瓦尔（Rodolfo Ruibal）利用扫描电子显微镜才发现壁虎脚趾表面既没有什么吸盘，也没有什么钩子，而是分布着数百万根微米级的刚毛，提供了壁虎的黏附力。这些刚毛的材质与人的头发、指甲一样，都是一种名为β-角蛋白的蛋白质。然而，刚毛与墙面间具体是如何作用的，单根刚毛能产生多大的黏附力，仍无定论。到了2000年，美国科学家凯勒·奥特姆（Kellar Autumn）利用微机电系统技术，测定了单根刚毛的黏附力，发现刚毛与墙面间的范德瓦尔斯力才是壁虎飞檐走壁的主角。这种力普遍存在于相邻物体之间，只有当两物体间距非常小的时候才起作用。

壁虎的黏附结构非常有趣。用肉眼观察大壁虎脚趾表面可以发现，上面长有10多个瓣状皱褶结构，这些皱褶结构长度约为5～10毫米，宽度约为0.5～1毫米，厚度约为0.1～0.3毫米。在扫描电子显微镜下观察皱褶结构表面，可以观察到非常规则的刚毛阵列。这些刚毛以每平方毫米14400根的密度分布在皱褶结构表面。单根刚毛为圆柱型，其轴线与皱褶结构表面呈大约45°～60°的夹角。刚毛长度约在100微米左右。直径则小得多，只有5微米左右。这并不是刚毛结构的全部。在刚毛的末端，生长有数以百计分叉的绒毛。绒毛又可进一步分为绒毛柄和绒毛垫。绒毛垫呈薄板状，厚约5纳米，长约300纳米，宽度则在200纳米左右。正是绒毛垫与墙壁间的接触而产生的范德瓦尔斯力，为壁虎在墙上行走提供了黏附力。而壁虎刚毛这一多尺度、多层次的结构特征，大大增强了壁虎与墙壁之间的黏附效应。首先，多尺度的黏附结构可以适应不同粗糙度的壁面，增大有效接触面积，所以壁虎既能在光滑的玻璃上疾步如飞，也能在粗糙的岩石、树木表面穿行自如；其次，根据英国科学家约翰孙（K. L. Johnson）等人提出的理论，壁虎刚毛提供的总接触黏附力与刚毛末端分叉绒毛数的平方根成正比，也就是说，在有限的接触面积内，绒毛数越多，总黏附力就越强。实验测得单根壁虎刚毛能提供约40微牛的法向黏附力，换算下来，每平方毫米可以提供约0.576牛的黏附力。假设壁虎单根脚趾的皱褶总面积为50平方毫米，则可以提供28.8牛的黏附力。要知道，壁虎自身重力一般也不过1牛（极限可达4牛)。因此，壁虎脚趾提供的黏附力，对于维持其在墙壁乃至天花板上黏附、爬行，可以说是绰绰有余了。

图  壁虎脚趾黏附结构的多尺度结构 

图a/吴晅；图b～d/B. N. J. Persson

（本文发表于《科学世界》2015年第10期）