壁虎膠帶：飛檐走壁夢不遠？

文 張 昊

近代，人類多項科技成果都或多或少受到了自然界的啟迪。壁虎膠帶也給我們揭示出這樣一個道理：自然界乃是人類無盡的知識礦藏。在任何年代，仿生科學都不乏研究對象以及成功案例，人類在自然界面前，既是萬物之靈，亦是萬物之子。

“星期五晚的實驗”的意外收獲

安德烈·海姆教授由于發(fā)現(xiàn)了石墨烯這種物質(zhì)而榮獲了2010年度諾貝爾物理學獎。但今天要講的不是石墨烯，而是他的另外一項廣為人知的成就——壁虎膠帶的發(fā)明。

2003年，海姆教授開始鼓勵他的學生打破常規(guī)，抽出精力做一些與自己專業(yè)幾乎毫無瓜葛的、充滿想象力的嘗試，并稱其為“星期五晚的實驗”。大部分此類實驗都以失敗告終，不過，其中的一項實驗卻獲得了成功，壁虎膠帶也隨之誕生了，成果發(fā)表在了權(quán)威期刊《自然》上。

該研究的靈感來自于海姆教授偶然間在《自然》雜志上看到的一篇文章。這篇文章中提到，將近一個世紀以來的解剖學研究表明，壁虎具有吸附墻壁的能力與其腳掌上具有的多分級纖維狀黏附系統(tǒng)有關(guān)。該系統(tǒng)是一系列橫向排列的褶皺，褶皺間距可以達到毫米量級。同時，這些褶皺又由數(shù)萬根微小剛毛構(gòu)

成，每根剛毛的長度在100微米上下，直徑約為數(shù)微米。也就是說，十根這樣的剛毛粘在一起，也不過一根發(fā)絲粗細。然而，更令人驚奇的是，在這樣的每一根細小剛毛的頂部，還有數(shù)百根先端呈鏟狀的絨毛，這些細小絨毛的長度大約是200納米，先端的鏟狀部位的寬度只有不到10納米。這是什么概念呢？大名鼎鼎的大腸桿菌，其桿狀部位的直徑大約是500納米。由此可見，壁虎腳掌上的方寸之間真可謂是別有洞天啊！

不過，海姆教授看到的這篇文章并非想要解釋壁虎腳掌的解剖結(jié)構(gòu)，因為早在20世紀60年代，電子顯微鏡就已經(jīng)揭示了這一課題。這篇文章的高深之處在于作者用一套精巧設(shè)計的微機電系統(tǒng)，測量出了單根壁虎剛毛的受力情況，從而從理論上解開了壁虎可以粘附于墻壁上的奧秘。原來，每一根的鏟狀絨毛在與墻壁接觸時，都會產(chǎn)生范德華力，這是一種分子間的電性引力，實際上是一種非常弱的相互吸附作用力。然而，這上萬根剛毛加上先端數(shù)以千萬計的鏟狀絨毛，在與墻壁表面接觸時，各自范德華力的疊加就足以支撐壁虎的體重了。

《自然》雜志的這篇文章中測出的單根剛毛在平行于墻壁方向上的附著力達到了200微牛。在受到平行墻面的下拉力后，剛毛經(jīng)過少許位移（約5微米）后，下拉力（也就是附著力）就可以上升到200微牛。

作者認為，在該微位移發(fā)生的過程中，更多量的鏟狀絨毛參與了范德華力作用下的吸附，因此附著力得到了顯著提升。200微牛當然是相當微弱的力，然而，一只常見的大壁虎腳掌的剛毛密度可達50萬根每平方厘米，以4個腳掌總面積1平方厘米計算，平行墻面方向產(chǎn)生的吸附力可達100牛頓。實際上，壁虎實際的吸附能力大約為10牛每平方厘米。也就是說，實際產(chǎn)生的吸附力為10牛頓，可以吊起約1千克的重量。理論值跟實際值的差異暗示，壁虎腳掌吸附墻壁時只有十分之一左右的剛毛發(fā)揮了效用。即便如此，其所能吊起的重量也達到了自身重量的10倍，相當可觀。

壁虎膠帶的誕生

海姆教授在看到這篇文章之后，大受啟發(fā)，類似壁虎剛毛的這種多層級微納尺度介觀結(jié)構(gòu)，正是他所擅長的領(lǐng)域。他馬上聯(lián)想到是否可以制造出一種膠帶，其擁有類似壁虎腳掌的剛毛絨毛系統(tǒng)，具有強大吸附力的同時，還可以吸脫自如。經(jīng)過一段時間的艱苦實驗后，他的一位研究生制備出了類似的結(jié)構(gòu)——由聚酰亞胺微纖維構(gòu)成的陣列。這種陣列已經(jīng)具有了類似壁虎腳掌的多層級微納尺度顯微構(gòu)造，并且展現(xiàn)出了一定的功能性。

雖然該原型膠帶黏附力尚可，但其黏附力在幾次使用后便會失效。同時，加工成本同樣是一個不小的課題。要知道，海姆教授僅僅制備出了1平方厘米的樣品，就用到了電子束光刻、熱蒸鍍、氧等離子體刻蝕等一系列先進的微加工手段。盡管如此，海姆教授的嘗試還是為科學界開辟了一個全新的研究方向，壁虎膠帶這一相當科幻的概念自此吸引著學術(shù)界持續(xù)的關(guān)注。

2008年，佐治亞理工大學王中林教授在《科學》雜志上發(fā)表了關(guān)于壁虎膠帶的研究成果。這篇論文利用超高長徑比的碳納米管陣列來模擬壁虎的剛毛構(gòu)造，單根碳納米管直徑約為10～15納米，長度可達150微米，密度可達一平方厘米面積上10億～100億根，這個數(shù)量級已經(jīng)與壁虎的鏟狀絨毛數(shù)量不相上下了。在垂直于墻面方向上，拉力可以達到20牛每平方厘米，平行于墻面的方向上，拉力高達100牛每平方厘米，已經(jīng)達到了壁虎實際吸附能力的10倍程度。這些絨毛狀的碳納米管的主體豎直而先端易于彎曲，很好地模擬了壁虎腳掌的剛毛加絨毛結(jié)構(gòu)。易于彎曲的先端類似于鏟狀絨毛，可以提供與附著區(qū)域更大的接觸面積。這種附著力的各向異性實際上在應用方面而言是有利的。譬如，開發(fā)某種掛鉤粘貼在豎直墻面上，可以承受相當高的掛載重量，同時在垂直墻面的方向又相對容易被揭起，然后實現(xiàn)再次利用并且墻壁無殘留，這些特性正是人類開發(fā)壁虎膠帶的初衷之一。

壁虎膠帶的廣泛應用

目前，主流的壁虎膠帶或是在海姆的有機物表面修飾工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來，或是應用碳納米管陣列的氣相沉積法，兩種工藝可謂是各有千秋。有機物表面修飾從制備流程上來說似乎更為復雜，但是成品不需太大的預壓力（即安裝時候的按壓力）就可以貼合在墻面上發(fā)揮功效。不過，碳納米管陣列可以通過氣象沉積法大量合成，兩種工藝目前來看還不能明辨優(yōu)劣。

時下，關(guān)于壁虎膠帶應用的探索在機器人開發(fā)的領(lǐng)域并不鮮見。各種爬行機器人完全模仿了壁虎的身體構(gòu)造進行設(shè)計，機器人腳部附著有壁虎膠帶，在靜態(tài)狀態(tài)下可以實現(xiàn)對墻壁的攀附。同時，壁虎腳掌的吸附和脫附過程也在此類機器人設(shè)計中有所體現(xiàn)。比如，吸附過程中，某只腳掌向墻壁施加垂直壁面方向的預壓力，同時控制身體同步上移，以增加平行壁面方向的吸引力。某只腳掌脫附的過程中，在另外幾只腳掌牢固吸引的前提下，如真壁虎一樣向外卷曲，以垂直壁面的最小阻力方向?qū)崿F(xiàn)脫附，進而繼續(xù)攀爬，可謂是真正的“仿生”科學了。

也許是科技進展帶去的靈感，電影中也不乏壁虎膠帶的蹤跡?？苹脛幼髌兜姓?》中的阿湯哥，就有用壁虎手套單手掛在迪拜塔上結(jié)果險些喪命的驚悚演出。前面也提到過，實際上，大壁虎腳掌的吸附能力遠遠高于其自身體重（100～200克），這是否是一種進化過程中的過盈或者說是浪費呢？實則不然。生活經(jīng)驗以及很多動物學家的觀測都告訴我們，在自然條件下，相當多的時候，壁虎可沒法像潘瑋柏在《壁虎漫步》這首歌里唱的那樣閑庭信步。在密林中逃避天敵突然墜落時單手攀附住樹葉這樣的情況下，壁虎需要比四腳攀爬垂直墻面大得多的吸附力，才能保證自己安然無恙，這實際上是自身進化的一種安全冗余。比起阿湯哥的命懸一線，壁虎的身手實在不知要高到哪里去了。

壁虎，誕生于5000萬年之前的古老物種，足跡遍布全球。從古代開始，人們對于這種小生物飛檐走壁的攀附能力就頗為著迷。關(guān)于其機理也有諸多猜測，然而直到21世紀初，人們才真正地確認了這種神奇的能力來自于億萬根細小絨毛與其黏附表面的相互吸引。海姆教授敏銳的意識到其在材料科學研究領(lǐng)域的潛在應用，提出了壁虎膠帶的概念，開啟了全新的研究領(lǐng)域。正如文章開頭所說，自然界對人類的饋贈不僅僅來自于有形的物質(zhì)，更來自于對人類思維的啟迪。向自然界尋求創(chuàng)新的靈感，不僅集中體現(xiàn)了科學探索的神奇與美妙，更有望開創(chuàng)全新的科研領(lǐng)域，實現(xiàn)前所未有的科技壯舉。