早在公元前4世紀(jì),古希臘哲學(xué)家亞里士多德就對(duì)壁虎高明的爬行能力感到“大惑不解”.多少年來(lái),人們對(duì)壁虎飛檐走壁的秘訣一直眾說紛紜,壁虎腳底的粘著力究竟是怎樣產(chǎn)生的呢?美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家羅伯特·福爾等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),看上去不起眼的壁虎,居然是自然界數(shù)一數(shù)二的“應(yīng)用物理大師”.它腳底的力量,竟然來(lái)自宇宙中最基本的物理學(xué)原理——分子引力.他們的研究成果發(fā)表在最新一期美國(guó)《國(guó)立科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》上.
起先人們認(rèn)為,壁虎能貼在光滑的天花板上,靠的是四個(gè)腳掌上神奇的吸盤,其實(shí)情況并非如此.
生活中有些現(xiàn)象常常令人困惑不解,例如,一種長(zhǎng)約10厘米、背呈暗灰色的爬行綱四足小動(dòng)物壁虎,能在光滑如鏡的墻面或天花板上穿梭自如,捕食蚊、蠅、蜘蛛等小蟲子而不會(huì)掉下來(lái).多少年來(lái),人們對(duì)壁虎飛檐走壁的秘訣一直眾說紛紜,許多人習(xí)慣地認(rèn)為,壁虎能夠在直立的玻璃表面疾步如飛,甚至能貼在光滑的天花板上,靠的是四個(gè)腳掌上神奇的吸盤.與此同時(shí),壁虎高超的攀爬能力也一直是科研人員重點(diǎn)研究的對(duì)象.
科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壁虎能夠在一塊垂直豎立的拋光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬,而且“只靠一個(gè)指頭”就能夠把整個(gè)身體穩(wěn)當(dāng)?shù)貞覓煸趬ι?除了能在墻上豎直上下爬行外,壁虎還能夠倒掛在天花板上爬行,這一絕技更令其他動(dòng)物望塵莫及.
壁虎腳底的粘著力究竟是怎樣產(chǎn)生的呢?美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家羅伯特·福爾等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)看上去不起眼的壁虎,居然是自然界數(shù)一數(shù)二的“應(yīng)用物理大師”.它腳底的力量,竟然來(lái)自宇宙中最基本的物理學(xué)原理———分子引力.靠著這種力量,一只身長(zhǎng)2英寸的壁虎,用它不過幾平方毫米大小的腳掌,理論上能夠毫不費(fèi)力地提起重達(dá)40公斤的重物!
壁虎腳底一根剛毛能夠提起一只螞蟻的重量,而使用全部剛毛就能夠支持125公斤力.
那什么是分子引力呢?分子引力也叫范德瓦爾斯力,是中性分子彼此距離非常近時(shí)產(chǎn)生的一種微弱電磁引力.由于這種引力過于微弱,通常沒有人加以注意.比如,當(dāng)我們把手貼到墻上時(shí),也會(huì)產(chǎn)生分子引力,但由于實(shí)際接觸面積太小,可能只有數(shù)千個(gè)接觸點(diǎn),人的手掌不會(huì)被吸附到墻壁上.
但壁虎就不一樣了,它的每只腳底部長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)根極細(xì)的剛毛,而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細(xì)的分支.這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近,從而產(chǎn)生分子引力.雖然每根剛毛產(chǎn)生的力量微不足道,但累積起來(lái)就很可觀.根據(jù)計(jì)算,一根剛毛能夠提起一只螞蟻的重量,而100萬(wàn)根剛毛雖然占地不到一個(gè)小硬幣的面積,但可以提起20公斤力的重量.如果壁虎同時(shí)使用全部剛毛,就能夠支持125公斤力.科學(xué)家說,壁虎實(shí)際上只使用一個(gè)腳,就能夠支持整個(gè)身體.
壁虎又是怎樣自如地控制腳上的吸力呢?科學(xué)家用顯微攝像機(jī)錄下壁虎在玻璃上爬動(dòng)的情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)壁虎試圖移動(dòng)腳掌時(shí),需要付出比吸住附著物時(shí)高600倍的力量,并將腳趾伸展到30度以上才能達(dá)到目的,這就如同人們扯下粘貼的膠帶時(shí)所做的一樣.而且,即使在真空環(huán)境下,它腳上的粘著力也不會(huì)失靈,這說明壁虎不必分泌任何物質(zhì)以維持附著力,也不需要借助空氣負(fù)壓“吸”住物品.
研究人員認(rèn)為,模仿壁虎腳底的這種結(jié)構(gòu),有可能研制出粘合力超強(qiáng)的新型膠紙.它具有易于被揭下、不對(duì)物體表面造成損傷、可反復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn).
此后,美國(guó)路易斯·克拉克學(xué)院的科學(xué)家在研究中意外地發(fā)現(xiàn)了壁虎能夠輕而易舉附著于物體表面的另一原因：它們能自動(dòng)清潔爪子絨毛上的臟物,以避免從爬行的表面脫落.
以前,科學(xué)家們也曾經(jīng)猜測(cè)壁虎的腳可能有著自動(dòng)清洗的功能,但它是如何保持腳的清潔及其原理卻是個(gè)未解之謎.壁虎從不清理自己的腳,而且腳部也不會(huì)自動(dòng)分泌液體.路易斯-克拉克學(xué)院的凱拉·奧特姆和溫迪·漢森對(duì)壁虎的這一神奇功能進(jìn)行了研究,他們發(fā)現(xiàn),不管壁虎在多么臟的物體表面行走,當(dāng)它走了幾步之后,腳上的臟物就會(huì)自動(dòng)脫落.他們認(rèn)為,壁虎腳在踩踏臟物之后,臟物的顆粒堆積在絨毛表面,而不是粘在絨毛上,因此在堆積到一定程度之后臟物顆粒在重力的作用下就會(huì)脫落.
在壁虎腳趾微結(jié)構(gòu)的啟示下,科學(xué)家開始研制超級(jí)附著技術(shù).
研究生物力學(xué)的奧特姆認(rèn)為,這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)對(duì)希望發(fā)明更好的粘合劑的科學(xué)家來(lái)說是一個(gè)好消息,因?yàn)橹灰軌虬呀q毛做得足夠小,就可能產(chǎn)生和壁虎剛毛一樣強(qiáng)大的粘合力.
由此,在壁虎腳趾微結(jié)構(gòu)的啟示下,超級(jí)附著技術(shù)呼之欲出.例如,科學(xué)家正在據(jù)此開發(fā)的一種強(qiáng)力干性粘合劑,這種粘合劑將使用一種與壁虎爪指上的絨毛類似的人造絨毛.
不久前,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·蓋姆及其同事宣稱他們的研究取得了重大進(jìn)展：他們模仿壁虎腳趾的微結(jié)構(gòu)研制了一種柔韌的膠布,上面覆以上百萬(wàn)根人工合成的絨毛,每根毛的長(zhǎng)度不足2微米.根據(jù)他們的推算,一塊巴掌大的這種膠布就能將一個(gè)成年人懸吊起來(lái).蓋姆僅造出了1平方厘米大的壁虎膠布,為了檢驗(yàn)其附著力,他把這條膠布固定在一個(gè)蜘蛛人玩偶的手上,結(jié)果,蜘蛛人穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)貞覓煸诹艘粔K玻璃板上.