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中科院力学所
壁虎超强的黏附能力--隐藏在脚下的奥秘
力学园地
2016年01月04日？？？？？？？？？？？？？？ 壁虎超强的黏附能力--隐藏在脚下的奥秘
彭志龙[1]，陈少华
中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室
世界上许多生物在自然界“适者生存”及长期演化中练就了一身特殊的本领，例如，壁虎、蜘蛛、蚂蚁等，它们不仅能在垂直墙壁上运动自如，而且能在天花板上停留和爬行，地球引力对它们似乎没什么影响。多少年来，人们对生物这种飞檐走壁的能力一直众说纷纭，尤其是体重较大的壁虎。数千年前人类就已经注意到壁虎这种超能力，亚里士多德（aristotle, b. c. 384-322）曾在《动物自然科学史》中记载：“壁虎即使头部向下也能在树上自由上下爬行”[1]。我们不禁要问：是什么使壁虎拥有如此超强黏附力？人类为什么没有这种超能力？其实，早在2002年，好莱坞大片《蜘蛛侠》中男主角那身飞檐走壁的本领就形象描述了人类对这种超能力的向往。图1 蜘蛛侠剧照
长期以来，壁虎脚下的奥秘引起了科学家们浓厚的兴趣，国内外很多科技工作者一直致力于研究和仿生壁虎这种飞檐走壁的能力，并试图从各个方面，利用各种手段，揭示隐藏在其脚下的黏附机理，而为人类所利用。近年来，随着实验设备的发展和实验技术的进步，能够清楚的观察到微米甚至纳米结构的图像，对壁虎黏附机理的研究才取得了重大进展。
1、壁虎脚掌黏附系统结构
壁虎种类虽然多种多样，但其脚掌黏附系统的结构在微观上却有惊人的相似（如图2）。大守宫是亚洲体型最大的壁虎，体长可达30至40厘米，重达200至300克，是科学家常用来研究的对象。我们用肉眼就能观察到它柔软的足垫上呈现出一条条弧状褶皱，长度约为1-2毫米[2]。上世纪60年代，随着扫描电镜的出现，壁虎足掌上错综复杂的黏附系统结构才得以揭示。壁虎的黏附系统是一种多分级、多纤维状表面的结构，壁虎的每个脚趾生有数百万根细小刚毛，每根刚毛的长度约为，直径为数微米，约为人类头发直径的十分之一，刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛（100-1000根），每根绒毛长度及宽度方向的尺寸约为，厚度约为（如图3所示）。
图2 不同种类壁虎的脚掌结构[2]
图3 大守宫壁虎脚掌多分级黏附系统的微观结构[1]
2、壁虎脚掌的黏附机理实际上，当两固体表面相互靠近时其间的相互作用力十分复杂，包括范德华力、静电力、偶极力、毛细力等，若要分别区分出各力的作用，是一项十分复杂的而艰巨的任务，有很大的挑战。过去一百年来，人们对壁虎的黏附能力提出了种种猜测，从黏液、真空压力到静电力等，但都被一一否定。直到最近十几年，壁虎黏附的奥秘终于得以揭示，美国路易斯克拉克学院autumn教授及同事于2000年通过实验证实壁虎超强黏附力源于脚掌上大量刚毛与物体表面的分子间作用力，即范德华力。范德华力是中性分子彼此距离非常近时，产生的一种微弱电磁力，大量范德华力的积累就足以支撑壁虎体重。壁虎这种特殊的多分级黏附系统结构，最小黏附单元达到纳米量级，保证能轻易的与各种表面达到近乎完美的结合，无论多粗糙的表面，由于壁虎最小黏附单元非常精细，微观上都接近理想光滑结构，因此两者能形成理想接触，进而保证大量范德华力德积累产生超强黏附力。根据autumn教授最早实验测量得到的壁虎单根刚毛最大黏附力约为200微牛，根据计算，壁虎每平方厘米面积上的刚毛数量可达一万多根，一只大守宫壁虎脚掌上刚毛数量约为600万根，因此可产生高达1300牛顿（133公斤）的黏附力，理论上可承担两个普通成年人的重量，这简直是一股不可思议的力量。
壁虎理论上能够产生超过100公斤的黏附力，但壁虎本身重量约为100克左右，如此计算壁虎脚上的刚毛充其量才发挥0.05%的功效。如此大的差距不禁让人怀疑这莫非是大自然的“过度设计”。但事实上不然，生物学家皮安卡与同事某次在亚马逊河流区域从事研究工作时，偶然间看到一个相当有趣的现象：一直壁虎从约30米高的树上跳跃而起，朝地面竖直降落，就在离地面约7米左右，坠落的壁虎突然朝近邻树叶伸出一只脚，接着紧紧黏住树叶，迅速爬进树叶中消失。该小插曲说明，或许壁虎的刚毛在平时并未完全发挥功能，但脚下复杂的结构绝非大自然的“过度设计”，或许为了在激烈的竞争环境中生存，壁虎才演化成如此精致结构，并得以繁衍不息。
图4 从10厘米高度降落的壁虎，只要与树叶表面滑行1.1厘米的距离，壁虎便能牢固的抓住树叶[2]
图 5 即使与表面接触面积减小，壁虎依然能牢牢黏附于铁网上
壁虎脚掌拥有如此强劲的黏附力，甚至比胶带还黏，它又是如何轻易的从表面上脱黏，实现可逆黏附。壁虎这种特殊的可逆黏附能力，引起了国内外科技工作者的广泛兴趣，autumn教授实验发现壁虎刚毛在脱黏过程中角度十分重要，唯有在某个临界角度下刚毛才能轻易脱黏，经过大量实验得到该临界角约为30度左右。我国中国科学院力学研究所陈少华研究员对壁虎等生物的黏附机理进行了多年的理论研究。2006年，陈少华研究员与美国布朗大学高华健教授合作发现了壁虎、蚱蜢等昆虫在运动时，依靠脚部衬垫的各向异性实现黏附和脱黏的运动力学机制，理论揭示壁虎等生物可逆黏附的宏观机制[3]，该结果发表在国际国体力学顶级期刊《力学与固体物理》杂志，该研究并得到了中央电视台等多家媒体报道。随后，陈少华研究员课题组进一步研究了壁虎可逆黏附的微观机制，分别考虑壁虎最小黏附单元尺寸、基底粗糙度、环境湿度及预应力等因素对壁虎黏附行为的影响，研究结果合理解释了autumn教授等的实验现象[4,5]。？？
图6a 壁虎宏观各向异性黏附模型[3] ？？？？？？？？图6b 壁虎最小黏附单元（微观）黏附模型[4]
图6c 壁虎二级结构黏附模型[5]
另一方面，壁虎在日常生活中难免会经过布满灰尘的地带，脚掌上沾染灰尘，神奇的是壁虎黏附力不但依然强劲，而且能够“百花丛中过，片叶不沾身”，“动一动脚掌，不带走一颗沙粒”。壁虎脚下究竟隐藏着何种玄机使得壁虎能在沾满灰尘的墙壁上依然运动自如。autumn教授通过对壁虎直接进行实验测试，发现壁虎脚掌表面具有类似“荷花效应”的自清洁能力（如图7所示）。图 7 开始沾满灰尘颗粒（箭头所示）的壁虎刚毛组织（左图），壁虎爬行几步后灰尘减少很多（右图）[6]
与“荷花效应”不同，荷叶表面虽然与壁虎脚掌表面同样具有超疏水能力，但荷叶表面并不具有壁虎的超强黏附力。揭示壁虎这种具有自清洁能力的黏附原理，是人类仿生壁虎超强黏附能力必须攻克的关键问题，目前该方面的研究还相对较少。3、壁虎黏附能力的仿生研究与应用
几十亿年的进化与“适者生存”造就了壁虎等生物在各种表面上运动的能力，这种能力远超越了人们的想象。目前，人类还不能达到这样的水平，但对壁虎等生物超强黏附能力的研究，最终目的是为人类所用。例如，我们可以仿生设计科学家称之为“壁虎带”的黏合剂，用于外壳手术用的夹子和缝线、登山者使用的安全装置、医用绷带、甚至还有足球守门员使用的超强黏性手套等；还可以仿生设计适合任意表面行走的微型爬壁机器人，可以代替人类在特殊环境中完成一些不适合人类直接完成的任务。
英国科学家geim等仿照壁虎脚掌刚毛的几何排列构造，以电子光束微影与氧离子干刻蚀法在5微米厚的聚酰亚胺薄膜上制备长约2微米，直径约0.5微米，间距1.6微米的高弹性聚酰亚胺纤维阵列。当施加一定预压力后，每平方厘米的面积可负重3牛顿。他们利用这样的仿