粘性生意:樹蛙如何牢牢抓住?

一項新的研究表明,青蛙和壁虎抓握方式有所不同

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像吸壁壁虎一樣,樹蛙也能夠做出違反重力的足部壯舉。但新的研究表明,這兩種物種以明顯不同的方式附著在表面上。

壁虎的“幹”抓握依賴於分子鍵——牢固但易於斷裂——存在於動物腳趾墊中的微小纖維與它們所站立的表面之間。但科學家發現,青蛙使用不同的方法來抓住。

格拉斯哥大學的生物學家喬恩·巴恩斯領導了這項研究,他使用了一臺原子力顯微鏡 (AFM),它可以提供十億分之一米尺度的影像,掃描了白氏樹蛙的腳。在肉眼看來,青蛙的腳趾墊呈現出扁平頂部的六邊形細胞,周圍環繞著充滿粘液的凹槽。然而,在更仔細的檢查中,巴恩斯發現頂部根本不是扁平的,而是覆蓋著緊密排列的“奈米柱”,每個奈米柱末端都有一個小凹坑,這會在它們接觸的表面產生強大的摩擦力。

巴恩斯說:“原子力顯微鏡也可以用來測量腳外層的剛度,他在《實驗生物學雜誌》上發表了這項發現。“結果表明,它的硬度與矽橡膠的硬度處於同一數量級。柔軟的材料很重要,因為它們使墊子能夠實現緊密接觸,從而貼合青蛙附著的表面的輪廓。”

雖然粘液可能是一種潤滑劑,但對於樹蛙來說,這種物質——僅比純水粘稠(抗流動性)1.5 倍——充當“溼”粘合劑。原因在於:腳趾墊上的奈米柱和較大的結構與表面直接接觸。因此,這些突起之間少量的溼粘液提供了粘合力。

樹蛙可以輕鬆地攀爬大多數表面,從光滑的葉子到玻璃,儘管它們在乾燥、粗糙的材料上表現不佳——巴恩斯說,這可能是因為它們無法產生足夠的粘液,在這樣的表面上在它們的墊子下方形成連續的液體層。“支援這一觀點的證據是,如果粗糙的表面是溼的,附著力會顯著提高,”他指出。

英國劍橋大學研究粘附力的動物學家沃爾特·費德勒說,這項研究揭示了青蛙腳趾在微觀層面的材料特性,並闡明瞭奈米柱在“粘附中起著重要作用”。但他指出,這些微小柱的確切功能仍不清楚。

對壁虎和樹蛙的研究都讓材料科學家對人類應用的智慧粘合劑產生了幻想。例如,2008 年 3 月號的《皇家學會介面雜誌》上的一篇論文估計,配備一塊適度的合成壁虎抓地力的汽車剎車可以在大約 16 英尺(5 米)內停下一輛以 50 英里(80 公里)/小時行駛的 2,200 磅(1,000 公斤)重的車輛。

巴恩斯和他的同事認為,瞭解樹蛙腳的粘附特性可能有助於改進輪胎設計,甚至可能有助於設計防滑鞋,儘管他們首先需要證明,在比兩棲動物的腳趾大得多的結構上,粘附力——以及同樣重要的,從表面快速脫離——得以保持。巴恩斯說,這項工作的另一種可能的應用是創造一種塗層,在手術過程中透過輕輕地將神經固定在手術刀的路徑之外來保護它們。

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