仿生壁虎脚的研究论文

即使是最先进的胶水也无法与壁虎惊人的脚趾相媲美：它令人印象深刻的粘性可以很快停止，当壁虎在光滑或粗糙、潮湿或干燥、清洁或肮脏的表面上奔跑时，它所能承受的重量远远超过壁虎的体重。自2000年以来，科学家们就知道这种化学键依赖于非带电分子之间的弱引力，即范德华力。研究人员已经设计了由聚合物或碳纳米管制成的合成粘合剂来模拟这些相互作用。 但最近发表在《科学进展》上的一篇论文表明，这并不是故事的全部。俄亥俄州阿克伦大学博士后、材料科学家、共同第一作者 萨兰舒· 辛格拉（Saranshu Singla）说：“壁虎除了范德华力之外，还有其他力可能对粘附起作用。” 壁虎脚趾上的皮肤褶皱包含数百万根被称为刚毛的毛发，它们在尖端分叉和伸展。因此，脚趾可以与表面形成数百万个单独的连接。当两个不带电的分子相互靠近时，每个分子的电子云会发生随机的、瞬变的变化，从而产生范德华力。但是20年来，资深作者阿力·迪诺伊瓦拉（Ali Dhinojwala）的实验室发现了不能用范德华力相互作用解释的结果。例如，刚毛在某些表面(如玻璃)的粘附性比其他表面更好，它们的粘附性随湿度的变化而变化。 辛格拉和他的同事使用光谱学研究了壁虎脚趾和蓝宝石棱镜表面之间的相互作用。这种宝石的表面呈玻璃状，但对于研究人员通过空气与宝石之间的界面反射的红色和红外激光束来说是透明的。为了方便，爬行动物大约每个月就会蜕一次皮，所以科学家们就收集了脱落的脚趾垫，把它们粘在玻璃棒上。他们测量了当他们把脚趾垫压在蓝宝石表面时，从蓝宝石表面反射回来的光的波长的变化。 与无脚趾的情况相比，单是较弱的范德华力就会在反射光的频率上产生微小的变化。但他们观察到的更大的变化表明，还有更多、更强的力对化学键也起作用。这些其他的力是一个广泛的范畴，称为酸碱相互作用，如氢键，它更直接地依赖于伙伴分子中电子分布的自然不均匀性。 迪诺伊瓦拉 说：“研究结果有助于解释为什么壁虎的脚趾更容易附着在具有这种电子结构的表面，比如玻璃上。” 迪诺伊瓦拉表示 ：“不同的力可以帮助壁虎适应不同的表面。”例如，表面带电荷的岩石可能会产生更多的酸碱相互作用，而蜡状叶子可能会产生更多的范德华力。 加州理工大学的材料科学家乔纳森•普托夫(Jonathan Puthoff)说：“这些结果说明化学键并不总是符合整齐的教科书分类。”在这种情况下，壁虎和物体表面之间的粘附包含了至少两种类型的相互作用。 辛格拉和 迪诺伊瓦拉 还 探索 了壁虎脚印之谜。实验室发现壁虎的脚印会留下脂肪残留物。它不是油或油脂，壁虎的脚上没有可以分泌这种物质的毛孔或腺体。相反，它是一种固体脂质物质，似乎来自产生刚毛本身的同一过程。 为了分析为什么脂层会留下，辛 格拉 用化学方法将脂层从壁虎趾垫上去除，然后将它们压在蓝宝石上。在这种情况下，尽管脚趾仍然紧紧地贴着，但反射光没有变化。辛格拉说：“蓝宝石似乎与任何东西都没有接触，我一直在重复这些实验。” 研究人员猜测，在任何给定的步骤中，只有一小部分不含脂的刚毛与表面接触，造成的接触太少，实验无法测量所涉及的力。但当脂质出现时，它们会随着壁虎的脚步慢慢移动而扩散。光谱研究表明，脂类的极性头朝外排列，在那里它们可以促进酸碱相互作用。 作者推测，脂质也可能保护娇嫩的刚毛。当壁虎剥掉脚时，会留下一些脂质作为一种牺牲层，但每根毛都完好无损。 迪诺伊瓦拉 认为：所有这些信息都可以帮助材料科学家增强粘合剂的设计。普托夫补充说：“重要的是继续与自然系统合作，继续尝试理解不同材料在合成系统中的作用。”例如，普托夫指出，虽然这项研究的重点是在东亚和东南亚发现的大壁虎（俗称：蛤蚧、仙蟾）的脚趾，但在其他环境中，从沙漠到雨林的栖息地，壁虎的脚趾垫可能有不同的适应性。辛格拉现在计划研究湿度是如何影响壁虎与脚趾的天然结合的。

1 胶布英国曼彻斯特大学的科研人员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。美国芝加哥西北大学的科研人员发明了一种超级胶,在水下环境也不会失去黏着力。因为灵感来源于壁虎和贻贝(在水中能够牢牢地紧贴在岩石上，即使大风大浪袭来时也能纹丝不动的一种水生动物)，得名“壁贻胶布”。由于壁虎胶带利用了细毛的黏性，不仅黏合力超强，还具有易于被揭下、不对物体表面造成损伤、可反复使用等优点。壁虎胶布的应用范围非常广泛，包括医药、工业和军用武器等领域，尤其在医疗缝合伤口和机器人水下工作方面，优势更为突出。想想看，从伤者身上撕下绷带像壁虎抬脚一样轻松，就不会伤害伤者的皮肤了。2 防水绷带美国麻省理工学院的科研人员受壁虎黏性掌面的启发，采用最新计算机技术模拟了壁虎的脚趾，将绷带的表面制成微型“丘陵和峡谷”状的高低起伏，研制出一种防水绷带，使患者的伤口无须缝针便能愈合。经过数周之后，这种绷带会随着伤口的逐渐愈合而自行溶解。在绷带的最外层覆盖着一层胶，有助于绷带更好地粘贴在潮湿的患伤表面，如：心脏、膀胱或肺脏。绷带在人体内分解时不会生成毒素，也不会发炎，目前已在动物实验中取得了成功测试。