早在公元前4世纪,古希腊哲学家亚里士多德就对壁虎高明的爬行能力感到“大惑不解”.多少年来,人们对壁虎飞檐走壁的秘诀一直众说纷纭,壁虎脚底的粘着力究竟是怎样产生的呢?美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人经过研究发现,看上去不起眼的壁虎,居然是自然界数一数二的“应用物理大师”.它脚底的力量,竟然来自宇宙中最基本的物理学原理——分子引力.他们的研究成果发表在最新一期美国《国立科学研究院学报》上.
起先人们认为,壁虎能贴在光滑的天花板上,靠的是四个脚掌上神奇的吸盘,其实情况并非如此.
生活中有些现象常常令人困惑不解,例如,一种长约10厘米、背呈暗灰色的爬行纲四足小动物壁虎,能在光滑如镜的墙面或天花板上穿梭自如,捕食蚊、蝇、蜘蛛等小虫子而不会掉下来.多少年来,人们对壁虎飞檐走壁的秘诀一直众说纷纭,许多人习惯地认为,壁虎能够在直立的玻璃表面疾步如飞,甚至能贴在光滑的天花板上,靠的是四个脚掌上神奇的吸盘.与此同时,壁虎高超的攀爬能力也一直是科研人员重点研究的对象.
科学家通过实验发现壁虎能够在一块垂直竖立的抛光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬,而且“只靠一个指头”就能够把整个身体稳当地悬挂在墙上.除了能在墙上竖直上下爬行外,壁虎还能够倒挂在天花板上爬行,这一绝技更令其他动物望尘莫及.
壁虎脚底的粘着力究竟是怎样产生的呢?美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人经过研究发现看上去不起眼的壁虎,居然是自然界数一数二的“应用物理大师”.它脚底的力量,竟然来自宇宙中最基本的物理学原理———分子引力.靠着这种力量,一只身长2英寸的壁虎,用它不过几平方毫米大小的脚掌,理论上能够毫不费力地提起重达40公斤的重物!
壁虎脚底一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而使用全部刚毛就能够支持125公斤力.
那什么是分子引力呢?分子引力也叫范德瓦尔斯力,是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力.由于这种引力过于微弱,通常没有人加以注意.比如,当我们把手贴到墙上时,也会产生分子引力,但由于实际接触面积太小,可能只有数千个接触点,人的手掌不会被吸附到墙壁上.
但壁虎就不一样了,它的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛,而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支.这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近,从而产生分子引力.虽然每根刚毛产生的力量微不足道,但累积起来就很可观.根据计算,一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而100万根刚毛虽然占地不到一个小硬币的面积,但可以提起20公斤力的重量.如果壁虎同时使用全部刚毛,就能够支持125公斤力.科学家说,壁虎实际上只使用一个脚,就能够支持整个身体.
壁虎能在多么脏的物体表面都能行走,它的脚不会自动分泌液体,但有着自动清洗的功能.
壁虎又是怎样自如地控制脚上的吸力呢?科学家用显微摄像机录下壁虎在玻璃上爬动的情况,发现当壁虎试图移 动脚掌时,需要付出比吸住附着物时高600倍的力量,并将脚趾伸展到30度以上才能达到目的,这就如同人们扯下粘贴的胶带时所做的一样.而且,即使在真空环境下,它脚上的粘着力也不会失灵,这说明壁虎不必分泌任何物质以维持附着力,也不需要借助空气负压“吸”住物品.
研究人员认为,模仿壁虎脚底的这种结构,有可能研制出粘合力超强的新型胶纸.它具有易于被揭下、不对物体表面造成损伤、可反复使用等优点.
此后,美国路易斯-克拉克学院的科学家在研究中意外地发现了壁虎能够轻而易举附着于物体表面的另一原因：它们能自动清洁爪子绒毛上的脏物,以避免从爬行的表面脱落.
以前,科学家们也曾经猜测壁虎的脚可能有着自动清洗的功能,但它是如何保持脚的清洁及其原理却是个未解之谜.壁虎从不清理自己的脚,而且脚部也不会自动分泌液体.路易斯-克拉克学院的凯拉·奥特姆和温迪·汉森对壁虎的这一神奇功能进行了研究,他们发现,不管壁虎在多么脏的物体表面行走,当它走了几步之后,脚上的脏物就会自动脱落.他们认为,壁虎脚在踩踏脏物之后,脏物的颗粒堆积在绒毛表面,而不是粘在绒毛上,因此在堆积到一定程度之后脏物颗粒在重力的作用下就会脱落.
在壁虎脚趾微结构的启示下,科学家开始研制超级附着技术.
研究生物力学的奥特姆认为,这项发现对希望发明更好的粘合剂的科学家来说是一个好消息,因为只要能够把绒毛做得足够小,就可能产生和壁虎刚毛一样强大的粘合力.
由此,在壁虎脚趾微结构的启示下,超级附着技术呼之欲出.例如,科学家正在据此开发的一种强力干性粘合剂,这种粘合剂将使用一种与壁虎爪指上的绒毛类似的人造绒毛.
不久前,英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·盖姆及其同事宣称他们的研究取得了重大进展：他们模仿壁虎脚趾的微结构研制了一种柔韧的胶布,上面覆以上百万根人工合成的绒毛,每根毛的长度不足2微米.根据他们的推算,一块巴掌大的这种胶布就能将一个成年人悬吊起来.盖姆仅造出了1平方厘米大的壁虎胶布,为了检验其附着力,他把这条胶布固定在一个蜘蛛人玩偶的手上,结果,蜘蛛人稳稳当当地悬挂在了一块玻璃板上.
壁虎胶布的意义重大,科学家希望能研制出一种会爬墙的机器人.
美国刘易斯-克拉克学院的凯拉·奥特姆也成功地研制出了一种新型粘合剂.那么,壁虎胶布的意义到底有多大呢?“你能想到的任何一家公司.”奥特姆说.从世界上最耐用的不干胶便条、更安全的轮胎到粘得更牢的“创可贴”都需要它.最近,奥特姆还在与加拿大麦吉尔大学步行机器人技术实验室的主管马丁·比勒以及美国加州大学伯克利分校Poly-PEDAL实验室(专门研究动物运动中的特性、动能学和动力学)的主管罗伯特·福尔联手,研制一种会爬墙的机器人.奥特姆说：“我的梦想是亲眼目睹一群这样的机器人登上火星表面.” 摘自新浪
