美科学家解开壁虎飞檐走壁谜团
记者 张小军
美国科学家26日宣布,壁虎能够在垂直的光滑表面上来去自如,得益于其脚部细小的绒毛。这项新的发现可能有助于发明新的粘合剂。
据路透社报道,这项研究成果是由美国刘易斯与克拉克学院、加利福尼亚大学和斯坦福大学的科学家组成的联合研究小组共同获得的。
刘易斯与克拉克学院的凯勒·奥顿说,为什么壁虎能够在任何地方爬行和悬挂,究竟是什么使得壁虎的脚趾具有如此强的粘性,这已成为数百年来一道难解的谜题。
曾有人猜测壁虎的脚趾上有胶水,但通过电子显微镜观察,发现壁虎的脚趾生有数以百万计的细小绒毛——刚毛。每根刚毛约有100微米长(相当于两根人头发的宽度),顶端都有约1千个更细小的分支。
一根刚毛能够支撑相当于一只蚂蚁的重量,100万根刚毛虽然不到一枚小硬币的面积,却可以支撑20公斤力的重量。
如果壁虎同时使用全部刚毛,就能够支持125公斤的力。研究生物力学的奥顿指出,壁虎脚趾的粘性正是通过这种细小的爪垫与接触物分子的分子间作用力——范德华力实现的。 实际上,壁虎只用一个脚趾,就能够支持整个身体。
绝大多数脚上有粘力的动物和昆虫往往要靠水的毛细作用获得粘力。而壁虎、一些蜥蜴以及一种昆虫有能力在不使用水的情况下飞檐走壁。
奥顿认为,这项发现对希望发明更好的粘合剂的科学家来说是一个好消息,因为只要能够把绒毛做得足够小,就可能产生和壁虎刚毛一样强大的粘合力。
奥顿等人已经开始制造人工合成的壁虎刚毛工具。它们的粘力与壁虎刚毛一样好。
专家评论说,奥顿并不是第一个解开壁虎脚趾奥秘的人。美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人在2000年的英国《自然》杂志上就曾发表过这方面的论文。
但奥顿制造的壁虎刚毛工具将使这一成果向实用阶段迈进了一步。
。
生活中有些现象常常令人不解,壁虎能在光滑如镜的墙面或天花板上穿梭自如,它还能同时捕食蚊、蝇、蜘蛛等小虫子而不会掉下来。多少年来,人们对壁虎飞檐走壁的秘诀众说纷纭,许多人习惯地认为,壁虎靠的是四个脚掌上神奇的吸盘。
那么,壁虎脚底的黏着力究竟是怎样产生的呢?美国科学家研究发现,壁虎脚底的力量,竟然来自宇宙中最基本的物理学原理——分子引力。
刚毛的分子引力
什么是分子引力呢?分子引力也叫范德瓦尔斯力,是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。
由于这种引力过于微弱,通常没有人加以注意。比如,当我们把手贴到墙上时,也会产生分子引力,但由于实际接触面积太小,可能只有数千个接触点,人的手掌不会被吸附到墙壁上。
正是靠着这种力量,一只身长2英寸的壁虎,用它不过几平方毫米大小的脚掌,理论上能够毫不费力地提起重达40公斤的重物!壁虎脚底一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而使用全部刚毛就能够支持125公斤的重量。
壁虎的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛,而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。 这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近,从而产生分子引力。虽然每根刚毛产生的力量微不足道,但累积起来就很可观。
根据计算,一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量,而100万根刚毛虽然占地不到一个小硬币的面积,但可以提起20公斤的重量。如果壁虎同时使用全部刚毛,就能够支持125公斤力。 科学家说,壁虎实际上只使用一个脚就能够支持整个身体。
科学家通过实验发现,壁虎能够在一块垂直竖立的抛光玻璃表面以每秒一米的速度向上高速攀爬,而且“只靠一个指头”就能够把整个身体稳当地悬挂在墙上。除了能在墙上竖直上下爬行外,壁虎还能够倒挂在天花板上爬行,这一绝技更令其他动物望尘莫及。
壁虎胶布
壁虎又是怎样自如地控制脚上的吸力呢?科学家用显微摄像机录下壁虎在玻璃上爬动的情况,发现当壁虎试图移动脚掌时,需要付出比吸住附着物时大600倍的力量,并将脚趾伸展到30度以上才能达到目的,这就如同人们扯下粘贴的胶带时所做的一样。
而且,即使在真空环境下,它脚上的黏着力也不会失灵,这说明壁虎不必分泌任何物质来维持附着力,也不需要借助空气负压“吸”住物品。
由此,在壁虎脚趾微结构的启示下,超级附着技术呼之欲出。
例如,科学家正在开发一种强力干性黏合剂,这种黏合剂将使用一种与壁虎爪指上的绒毛类似的人造绒毛。不久前,英国物理学家宣称,他们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。为了检验其附着力,科学家把这条胶布固定在一个玩偶的手上,结果,玩偶稳稳当当地悬挂在了一块玻璃板上。
更重要的是,科学家希望借此能研制出一种会爬墙的机器人。
曹福成
(曹福成 《中国中学生报》 2005年暑期合刊A)。