互动科普

易于松脱

或许有人要提出疑问，既然壁虎刚毛能提供如此大的黏附力，为什么我们看到的壁虎还可以跑得这么快呢？如果我们在墙上粘上一块胶布，想把它撕下来可不容易。而壁虎只需要大约50毫秒的时间就能完成这个动作。仔细观察壁虎在“黏附-脱离”过程中的动作，就会发现它重复地、有规律地“外翻-内收”着自己的脚趾，这就是“强黏附、易脱附”的奥秘所在。在微观上，这一奥秘与壁虎刚毛特殊的力学特性有关。壁虎的脚趾和刚毛在承受法向力的同时，也承受了一定的切向负载，也就是我们通常所说的摩擦力。有意思的是，刚毛脱离壁面时所需要施加的力与摩擦力呈约0.6倍的线性关系，这样，壁虎就可以通过控制壁虎脚趾所受的摩擦力，来调节刚毛脱离壁面时所需要的法向力。而这一调控正是通过脚趾的动作来实现的。当壁虎需要提高黏附力时，它会向墙壁方向按压、收紧脚趾，并向身体内侧牵拉以增加脚趾所受的摩擦力。而当需要降低黏附力时，它会向外翻卷脚趾，并将脚趾向身体外侧放松以降低摩擦力。清华大学田煜教授的研究表明，壁虎刚毛末端的绒毛垫脱离墙壁所需要的法向力随着绒毛柄与墙壁间夹角的变化而变化。当夹角在0°～90°内变化时，法向力在0.1～100纳牛范围内变化。而这个夹角是由壁虎脚趾控制的。脚趾翻卷，夹角随之增大，所需法向力变小，反之亦然。中国科学院合肥物质科学研究院梅涛研究组提出，壁虎脚趾的翻卷可以改变施加在刚毛上的力矩，使刚毛迅速地从稳定的黏附状态切换到脱离状态。如果不经过翻卷就进行脱离，那么刚毛就有可能在脱离过程中与墙壁间发生滑动摩擦，消耗更多的能量。这些理论都说明了壁虎脚趾易于脱附这一能力的来源，也说明了壁虎刚毛与普通胶带相比，是一种智能的、可控制的黏附材料。

除此之外，壁虎刚毛与普通胶带的区别还在于它具有较好的自净性。如果我们将一块胶布反复地在墙壁上黏附-剥离，胶布表面很快就会沾满灰尘，黏附能力逐渐下降乃至消失。水也会让胶布的黏附能力大幅下降。而壁虎无论在充满灰尘的墙壁上爬多长时间，都不会因为脚上沾满灰尘而从墙上掉下来。在潮湿的环境下也能保持黏附状态。这都要归功于壁虎刚毛的自净性。构成刚毛末端绒毛结构的角蛋白材料具有较好的疏水性，其表面能本身就比较低。纳米级的尺寸又近一步降低了脚趾的表面能。而水、灰尘等杂质喜欢待在表面能较高的地方，因此，杂质就很难黏附到壁虎脚趾上。即使黏附上了，在壁虎运动过程中，也会很快跑到别的表面能较高的地方去。美国艾克朗大学胡世豪等人还通过实验发现，壁虎能够通过迅速外翻脚趾，使刚毛上的灰尘等由于离心力作用被甩掉，以此增加了脚趾的自净作用。

仿生前景

通过以上介绍，你一定会为壁虎强大的黏附能力所折服吧。试想，如果壁虎能把爬墙的本领传授给人类，该是多好的事情！事实上，科学家们早就开始做了。从2003年开始，科学家们就通过微机电系统技术制备类似于壁虎刚毛的黏附材料，并将这种材料应用于机器人等各个领域。2006年美国斯坦福大学马克·卡特考斯基（Mark Cutkosky）率领他的研究小组发明了一种新型四足爬壁机器人Stickybot，被《时代》杂志评为2006年度最佳发明之一。他们首先利用微机械技术制作出微米级的孔洞模板，再将液态高聚物倒入这种模板里。高聚物凝固后，形成一种柱状、顶部倾斜的微米级“方向性黏附材料”。这种黏附材料能够像壁虎刚毛一样，通过增加摩擦力，提高黏附能力。随后，他们将黏附材料安装到机器人的脚趾上，使机器人在仿生黏附材料的帮助下，可以像壁虎一样在墙壁上爬行。机器人四肢各由一套四连杆机构组成，依靠电机驱动移动，进而驱动整个机器人。机器人脚趾设计得比较有特色：每只脚掌有4只脚趾，脚趾内贯穿有柔性铁丝，需要抬腿时，利用独立的电机牵拉铁丝，实现脚趾脱离。这一设计模仿了真实壁虎的脱离动作，具有较高的脱离效率。他们还模仿壁虎形体结构，设计了机器人尾巴，使机器人平衡全身的受力。这款机器人最大爬行速度达到每秒24厘米，可以在竖直的墙壁上爬行。然而，在更加陡峭的壁面上，它就无能为力了。究其原因，一方面是由于黏附材料所能提供的黏附力有限，另一方面则是机器人机械结构与控制方法上的限制。这方面的研究目前还并不成熟，人造材料的性能与壁虎脚趾刚毛还有相当大的差距。但相信假以时日，人类一定能够完美地再现壁虎飞檐走壁的本领！

图. 仿壁虎黏附材料与爬壁机器人

图/Mark Cutkosky

（本文发表于《科学世界》2015年第10期）