路易斯與克拉克學院的凱勒·奧特姆研究壁虎的粘附性,並提供以下解釋
壁虎的腳底有數百萬個微小的毛髮狀結構,稱為剛毛。每根剛毛的末端都有奈米結構,稱為鏟狀體,它們充當乾燥的粘合劑。去年,我的同事和我發現壁虎的粘附力是這些奈米結構的幾何形狀的函式,而不是它們的表面化學性質。
在靜止狀態下,剛毛的莖像爪子一樣向近端彎曲。當壁虎的腳趾著地時,剛毛會伸展,使其尖端指向遠離身體的方向。少量的重量和腳趾遠離身體的微米級位移可能有助於使鏟狀體(之前處於各種方向)均勻地與基質齊平,從而最大限度地增加它們的接觸表面積。產生粘附力,剛毛準備承受動物的全部體重,無論是爬上牆壁還是穿過天花板。
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一根剛毛可以承受 20 毫克的力,壁虎擁有的剛毛數量(大約 650 萬根)理論上可以支撐 133 公斤。這種卓越的粘附能力引發了一個問題:壁虎如何將它們的腳從牆壁上移開。事實證明,將剛毛軸和基質之間的角度增加到 30 度以上會導致脫離。隨著剛毛軸角度的增加,剛毛後緣的應力可能會增加,從而破壞鏟狀體與基質之間的結合。壁虎不尋常的腳趾剝離行為可能有助於透過一次只移除少量剛毛來減少脫離力。
讀者還詢問了兩隻壁虎的腳是否會不可逆地粘在一起。
壁虎剛毛陣列不會相互粘附。關於這個主題的研究正在進行中,所以我只能為這種“反自我”特性的潛在機制提供一個假設。為了使剛毛牢固地附著在表面上,必須同時附著大量鏟狀體。一個腳上的鏟狀體與另一個腳上的鏟狀體接觸的機率非常低。將許多小的機率相乘,我們得出的結論是,兩隻腳極不可能牢固地粘在一起。
目前在曼徹斯特大學實驗室開發基於壁虎粘附力的膠帶的奈米技術專家科斯佳·諾沃肖洛夫提供了一些額外的細節。
壁虎爬上垂直表面是一個引人入勝的景象。但當人們開始思考這種神奇動物優雅動作背後的微觀機制時,它會變得更加有趣。我們不知道壁虎確切地如何改變其腳趾和表面之間的吸引力,但最近的實驗提供了一種可能的場景。
凱勒·奧特姆和他的團隊表明,將壁虎腳趾從基質上脫離所需的力主要取決於剛毛和表面之間的角度。基本上,這種情況類似於將一卷膠帶從桌子上撕下。如果只是垂直於表面拉動,則需要付出巨大的努力才能將一塊膠帶從任何表面上移除。但是,如果施加與桌面平行的適度力來剝離它,則再簡單不過了。
看來壁虎在爬上垂直表面時採用了這種方法。壁虎的腳上有數十萬根剛毛,每根大約五微米厚,一百微米長。每根剛毛的末端都有數百根非常細(0.2 到 0.5 微米)的帶鏟狀尖端的觸鬚。剛毛非常靈活,似乎壁虎可以改變它們的方向和應變。當接近表面時,動物會使剛毛變硬,並調整它們的角度,使扁平的鏟狀體與基質接合,從而最大限度地提高腳趾和表面之間的吸引力。為了脫離,壁虎透過改變剛毛的形狀並將其剝離來增加角度。由於其靈活性和極小的尺寸,鏟狀體可以與表面緊密接觸,在這種情況下,這種力變得非常重要。
壁虎兩隻腳掌之間的吸引力可能遠小於腳掌與壁虎爬行的任何表面之間的吸引力,因為兩組剛毛之間的有效接觸面積小於剛毛與自由表面之間的有效接觸面積。