蜥蜴仿生談

文/畢　役

探索·自然

蜥蜴仿生談

文/畢役

在現(xiàn)存的爬行動物中，蜥蜴是最為興盛的一個大家族，全世界大約有三千多種，我國已知的有一百五十多種。蜥蜴家族中的避役——“變色龍”一支最為著名，不過家族中的其他成員也各自成功地演化出多姿多彩的野外生存本領(lǐng)：壁虎喜歡在墻壁上穿梭，樹蜥能夠在樹干上攀援，飛蜥依靠前后肢之間發(fā)達的皮膜在樹林中滑翔，蛇蜥利用光滑的身體在地下穴居，麻蜥、草蜥、石龍子等善于在地面飛奔，而斑冠鬣蜥甚至能在水面上自由“行走”……

因此，蜥蜴家族引起了越來越多的生物學(xué)家、生態(tài)學(xué)家的關(guān)注和研究，逐漸揭開了它們從前鮮為人知的奧秘。它們的諸多本領(lǐng)也成為了仿生學(xué)專家進行探究和模仿的對象。

斷尾再生

蜥蜴在遭遇敵害時會自斷其尾，斷尾不停跳動吸引了捕食者的注意，自己便能逃之夭夭，而且生還之后，它的尾巴還能再生。這是由于在它的尾椎骨中有一個光滑的關(guān)節(jié)面，把前后半個尾椎骨連接起來，這個地方的肌肉、皮膚、鱗片都比較薄而松弛，所以在尾巴受到攻擊時就可以通過劇烈擺動身體和尾部肌肉強有力的收縮，造成尾椎骨在關(guān)節(jié)面處發(fā)生斷裂。由于尾巴不是單純以脂肪的形式貯存能量，而是形成更容易釋放能量的糖原化脂肪，所以剛斷下來的尾巴的神經(jīng)和肌肉都保持著一定的功能，會在地上顫動不停，因而起到了轉(zhuǎn)移捕食者視線的作用。

斷尾以后，自殘面的傷口很快就會愈合，形成一個尾芽基，經(jīng)過一段細胞分裂增長時期，然后轉(zhuǎn)入形成鱗片的分化階段，最后便長出一條嶄新的再生尾，只是與原來的尾巴相比，顯得比較短而粗。

蜥蜴的尾巴為什么能再生呢？原來，生物體的細胞在分化后，就組成了不同的器官，有了不同的特殊功能，成為只能干好某一項工作的“專門人才”；而許多沒有分化的細胞則是“多面手”，能根據(jù)身體的需要改變其“專長”。當蜥蜴的尾巴受傷后，“多面手”細胞就轉(zhuǎn)移到受傷部位，齊心協(xié)力地造出一條新尾巴。

動物的再生能力一直是仿生學(xué)研究的重點。不久前，美國一位老人的手指尖被不慎切斷，科學(xué)家把一種混有蛋白質(zhì)和結(jié)締組織的“再生粉末”撒到傷口上，使人驚訝萬分的是，他的手指尖在4周后竟然慢慢地重新長了出來?？茖W(xué)家相信，人體內(nèi)的每個組織中都存在著有再生能力的細胞，他們需要做的就是找到這些細胞，并“命令”它們進行再生工作。

防沙耐磨

對于生活在沙漠中的蜥蜴來說，其體表的鱗片能起到保護身體、防止水分散失等作用。它們布滿鱗片的體表通常是由單個鱗片的材料和形態(tài)、鱗片的排布方式以及皮膚的多層結(jié)構(gòu)三者構(gòu)成的一個復(fù)合系統(tǒng)。

鱗片的形狀多種多樣，主要分為四邊形、六邊形、菱形等，鱗片中部均有不同程度的突起。這些鱗片通過不同的方式排列，主要可分為覆瓦狀排列與正六邊形排列兩種，其他的排列方式均由這兩種方式變換而成。皮膚的多層結(jié)構(gòu)包括外部的角皮層、角質(zhì)層所構(gòu)成的硬殼支撐體以及填充于硬殼內(nèi)部的較軟的結(jié)締組織。當體表受力時，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可形成多方向受壓的狀況，延緩因壓力而造成的縱向開裂，因而具有較高的承載能力，特別是有著優(yōu)良的耐氣、固兩相流沖蝕的能力。因此，這種形態(tài)、結(jié)構(gòu)相耦合使沙漠蜥蜴的體表具有優(yōu)異的耐受沙粒沖蝕磨損的作用。

這種生物耦合現(xiàn)象也是工業(yè)仿生研究的重點，例如在水泥生產(chǎn)上，水泥粉磨系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)的重要核心部件，其磨損與脫落是制約水泥生產(chǎn)的重大技術(shù)難題。而通過模仿沙漠蜥蜴體表形成剛?cè)狁詈系亩鄬幽湍ソY(jié)構(gòu)，為磨輥的制備開辟了一條新途徑?？茖W(xué)家通過形態(tài)、結(jié)構(gòu)和材料的合理耦合，研制成功了多元耦合仿生磨輥生產(chǎn)新工藝，改善了水泥粉磨系統(tǒng)核心部件的耐磨性能。

飛檐走壁

壁虎能在光滑如鏡的墻面或天花板上穿梭自如，甚至用一只腳在天花板上倒掛。它可以輕易附著和剝離，不會在爬過的表面留下任何痕跡。這種“飛檐走壁”的功夫常常令人不解。

“壁虎漫步”靠的不是吸盤，而是它每只腳底下所具有的200萬根細小絨毛。每根絨毛根部有幾十微米粗，而頂端又分成數(shù)十萬個更細更彎的絨毛，直徑僅幾百納米，其末梢延展成扁平形，形成微小的“刮板”，黏性非常強。這些數(shù)量達數(shù)十億的刮板看起來就像長在絨毛頂端的花椰菜，為壁虎大面積地貼近墻面提供附著點，從而支撐其體重。這種特殊的黏著力是由壁虎腳底下大量的絨毛與物體表面分子之間產(chǎn)生的“范德華力”累積而成的?！胺兜氯A力”是中性分子彼此距離非常近時，所產(chǎn)生的一種微弱的靜電作用力。而且，這種附著力具有可逆性，可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣。

受壁虎的啟發(fā)，科學(xué)家發(fā)明了一種具有防水功能的強力醫(yī)用繃帶，可以廣泛地應(yīng)用于外科手術(shù)和修復(fù)傷口等方面。他們利用計算機技術(shù)，模擬壁虎足掌底部的結(jié)構(gòu)，在繃帶表面上“刻制”出很多極其微小的丘壑，使這種繃帶的附著力大大增強，能緊貼人體組織。此外，這種繃帶由生物橡膠制成，即使留在體內(nèi)，也可自動生物降解。

科學(xué)家還利用納米材料開發(fā)出具有高效、可逆、干性附著等特性的超級黏合材料——“壁虎皮膚”。這種仿生材料可以廣泛地應(yīng)用到我們的生活中，例如制造出足球和板球守門員使用的黏性超強的手套以及抓地更牢的運動鞋、登山設(shè)備，制作在雨雪氣候中不再打滑的汽車輪胎，將電視機、電腦顯示器等電子產(chǎn)品等隨意附著于墻面并隨時根據(jù)需要分離等等。在影視拍攝中，無需借助電腦特技，演員們就能真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手了。

開發(fā)能沿著垂直墻壁“行走”的“壁虎機器人”更是仿生的熱點。例如，有的科學(xué)家仿照壁虎腳底下的絨毛等結(jié)構(gòu)，用微型模具制成一種只有20微米寬、類似橡膠的多聚材料微絲，做成黏合劑涂層，涂在為“壁虎機器人”專門制作的4只腳上，大大提高了負荷量。它的每只腳約有一個小孩的手掌大小，在墻壁上攀爬時很穩(wěn)定，能像壁虎一樣輕松地黏附或提起每一只腳，在豎直的木板、涂漆金屬和玻璃上行走自如。

這項技術(shù)能在消防、刑偵和建筑施工等方面獲得廣泛應(yīng)用，例如，用來制造能夠攀登陡峭的墻壁和跨越任何地形的搜索救援機器人；開發(fā)出空間探測用攀爬型機器人，無論在多么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走，給飛行器進行“體檢”。

踏浪行走

除了水黽、捕魚蛛等小型動物能在水面上活動外，絕大多數(shù)動物或由于身體太重，或由于速度太慢，都無法實現(xiàn)在水面上行走。所以，當人們看到斑冠鬣蜥在水面上“飛奔”的時候，無不對它所擁有的這個特殊的本領(lǐng)驚嘆不已，并且在相當長的時間里始終不得其解，甚至認為這是上帝賦予它的能力，因此，又稱其為“耶穌蜥蜴”。

斑冠鬣蜥在陸地上是用4條腿跑，而在水面上只用2條后腳快速交替踩水飛奔，速度可達每秒1.5米，能在水面上連續(xù)奔跑4.5米左右，然后前肢沉入水中，變成游泳姿勢。斑冠鬣蜥水上行走技術(shù)的奧秘在哪里呢？首先，斑冠鬣蜥不僅有強壯的后腿和很大的腳，而且在腳趾上有“胡須”一樣的毛邊。在陸地上行走時，這些“胡須”就收起來；在水面上飛奔時，這些“胡須”就張開，增大了腳掌與水面的接觸面積，使它不會在水面傾斜和翻倒。

在高速攝像機拍攝的畫面中，斑冠鬣蜥在水面上飛奔時的每一步踏水動作都可以分成3部分：拍擊、撲打和還原。拍擊水面時，它的腳主要呈垂直運動；撲打時，腳主要向后運動；在還原過程中，腳抬起離開水面，準備下一步開始動作。當它的腳向下踏入水中的時候，被淹沒的整個腿部就會產(chǎn)生一個支撐身體的空氣腔，并通過腳趾的擴展進一步擴大這個空氣腔，有利于腿部向上抬。而當這個空氣腔消失之前，它必須非常迅速地將腳趾抬離水面。因此，它的整個連貫動作有點像我們騎自行車，如果不蹬踏板，自行車就會慢慢地停下來，而車上的人就會被翻倒在地。

于是，科學(xué)家模仿斑冠鬣蜥研制出一款水陸兩棲機器人，它能夠步行越過陸地和水面。這款機器人長約0.3米，整個身體由碳纖維與塑料構(gòu)成，采用兩對相同的四桿機構(gòu)，具有180度相位移，由一個輕質(zhì)的高功率馬達驅(qū)動其4條腿運動，特別是能模仿蜥蜴兩條腿的踏水運動。這種水陸兩棲行走機器人如果配備了生化傳感器，就可以用來監(jiān)測水質(zhì)；如果攜帶攝影機，則能夠參與搜尋和救援工作。