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壁虎腳上剛毛能支持125公斤力

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發表於 06-5-15 18:53:39 |只看該作者 |降序瀏覽大字中字小字正體化简体化

壁虎飛檐走壁之謎腳底剛毛能支持125公斤力

壁虎的腳掌

　　早在公元前4世紀，古希臘哲學家亞里士多德就對壁虎高明的爬行能力感到『大惑不解』。多少年來，人們對壁虎飛簷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生的呢？美國加利福尼亞大學伯克利分校的科學家羅伯特·福爾等人經過研究發現，看上去不起眼的壁虎，居然是自然
界數一數二的『應用物理大師』。它腳底的力量，竟然來自宇宙中最基本的物理學原理—————分子引力。他們的研究成果發表在最新一期美國《國
立科學研究院學報》上。

起先人們認為，壁虎能貼在光滑的天花板上，靠的是四個腳掌上神奇的吸盤，其實情況並非如此。

　　生活中有些現象常常令人困惑不解，例如，一種長約10厘米、背呈暗灰色的爬行綱四足小動物壁虎，能在光滑如鏡的牆面或天花板上穿梭自如，捕
食蚊、蠅、蜘蛛等小蟲子而不會掉下來。多少年來，人們對壁虎飛簷走壁的秘訣一直眾說紛紜，許多人習慣地認為，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，靠的是四個腳掌上神奇的吸盤。與此同時，壁虎高超的攀爬能力也一直是科研人員重點研究的對象。

　　科學家通過實驗發現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『只靠一個指頭』就能夠把整個身體穩當地懸
掛在牆上。除了能在牆上豎直上下爬行外，壁虎還能夠倒掛在天花板上爬行，這一絕技更令其他動物望塵莫及。

　　壁虎腳底的粘著力究竟是怎樣產生的呢？美國加利福尼亞大學伯克利分校的科學家羅伯特·福爾等人經過研究發現看上去不起眼的壁虎，居然是自
然界數一數二的『應用物理大師』。它腳底的力量，竟然來自宇宙中最基本的物理學原理———分子引力。靠著這種力量，一隻身長2英吋的壁虎，用
它不過幾平方毫米大小的腳掌，理論上能夠毫不費力地提起重達40公斤的重物！

　那什麼是分子引力呢？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產生的一種微弱電磁引力。由於這種引力過於微弱，通常沒有人加
以注意。比如，當我們把手貼到牆上時，也會產生分子引力，但由於實際接觸面積太小，可能只有數千個接觸點，人的手掌不會被吸附到牆壁上。

　　但壁虎就不一樣了，它的每只腳底部長著數百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細的分支。這種精細結構使得剛毛與物體
表面分子間的距離非常近，從而產生分子引力。雖然每根剛毛產生的力量微不足道，但累積起來就很可觀。根據計算，一根剛毛能夠提起一只螞蟻的重
量，而100萬根剛毛雖然佔地不到一個小硬幣的面積，但可以提起20公斤力的重量。如果壁虎同時使用全部剛毛，就能夠支持125公斤力。科學家說，壁
虎實際上只使用一個腳，就能夠支持整個身體。

　　壁虎又是怎樣自如地控制腳上的吸力呢？科學家用顯微攝像機錄下壁虎在玻璃上爬動的情況，發現當壁虎試圖移動腳掌時，需要付出比吸住附著物
時高600倍的力量，並將腳趾伸展到30度以上纔能達到目的，這就如同人們扯下粘貼的膠帶時所做的一樣。而且，即使在真空環境下，它腳上的粘著力
也不會失靈，這說明壁虎不必分泌任何物質以維持附著力，也不需要借助空氣負壓『吸』住物品。

　　研究人員認為，模仿壁虎腳底的這種結構，有可能研制出粘合力超強的新型膠紙。它具有易於被揭下、不對物體表面造成損傷、可反復使用等優
點。

　　此後，美國路易斯·克拉克學院的科學家在研究中意外地發現了壁虎能夠輕而易舉附著於物體表面的另一原因：它們能自動清潔爪子絨毛上的髒
物，以避免從爬行的表面脫落。

　　以前，科學家們也曾經猜測壁虎的腳可能有著自動清洗的功能，但它是如何保持腳的清潔及其原理卻是個未解之謎。壁虎從不清理自己的腳，而且
腳部也不會自動分泌液體。路易斯-克拉克學院的凱拉·奧特姆和溫迪·漢森對壁虎的這一神奇功能進行了研究，他們發現，不管壁虎在多麼髒的物體
表面行走，當它走了幾步之後，腳上的髒物就會自動脫落。他們認為，壁虎腳在踩踏髒物之後，髒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後髒物顆粒在重力的作用下就會脫落。

研究生物力學的奧特姆認為，這項發現對希望發明更好的粘合劑的科學家來說是一個好消息，因為只要能夠把絨毛做得足夠小，就可能產生和壁虎剛毛
一樣強大的粘合力。

　　由此，在壁虎腳趾微結構的啟示下，超級附著技術呼之欲出。例如，科學家正在據此開發的一種強力乾性粘合劑，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，英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·蓋姆及其同事宣稱他們的研究取得了重大進展：他們模仿壁虎腳趾的微結構研制了一種柔韌的膠
布，上面覆以上百萬根人工合成的絨毛，每根毛的長度不足2微米。根據他們的推算，一塊巴掌大的這種膠布就能將一個成年人懸吊起來。蓋姆僅造出
了1平方厘米大的壁虎膠布，為了檢驗其附著力，他把這條膠布固定在一個蜘蛛人玩偶的手上，結果，蜘蛛人穩穩當當地懸掛在了一塊玻璃板上。

　　壁虎膠布的意義重大，科學家希望能研制出一種會爬牆的機器人。

　　美國路易斯-克拉克學院的凱拉·奧特姆也成功地研制出了一種新型粘合劑。那麼，壁虎膠布的意義到底有多大呢？『你能想到的任何一家公
司。』奧特姆說。從世界上最耐用的不乾膠便條、更安全的輪胎到粘得更牢的『創可貼』都需要它。最近，奧特姆還在與加拿大麥吉爾大學步行機器人
技術實驗室的主管馬丁·比勒以及美國加州大學伯克利分校Poly-PEDAL實驗室(專門研究動物運動中的特性、動能學和動力學)的主管羅伯特·福爾聯
手，研制一種會爬牆的機器人。奧特姆說：『我的夢想是親眼目睹一群這樣的機器人登上火星表面。』

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