無斑肥螈的攀附能力和體表形貌

焦慶 李蒙 戴慶文

摘要：自然界中，無斑肥螈能夠輕松攀附在各種不同類型的濕滑壁面上。研究無水、少水和多水3種潮濕條件下，無斑肥螈在3種表面的攀附能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，無斑肥螈攀附角度在多種情況下可達(dá)到180°。為揭示其攀附機(jī)制，通過環(huán)境掃描電鏡進(jìn)一步觀察了無斑肥螈的體表形貌，發(fā)現(xiàn)無斑肥螈的腳掌具備直徑約為30～50 μm的六邊形結(jié)構(gòu)，同時(shí)六邊形細(xì)胞表面分布著聚集成簇的納米柱;無斑肥螈腹部分布著密集的微凹坑結(jié)構(gòu)。無斑肥螈體表微結(jié)構(gòu)能夠顯著提高腳掌對(duì)基底的黏附力，尤其是在多水條件下的黏附能力。

關(guān)鍵詞：無斑肥螈;攀附角度;體表形貌;微結(jié)構(gòu);黏附能力

中圖分類號(hào)： Q811 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2020）15-0260-05

經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，生物具備了功能各異的表面來適應(yīng)復(fù)雜多變的自然條件，仿生表面制造為研究人員提供了許多解決工程實(shí)際問題的思路[1-3]。例如，對(duì)土壤動(dòng)物的體表進(jìn)行仿生，設(shè)計(jì)的犁壁通過幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元可以降低犁耕阻力，提高生產(chǎn)效率[4];具備穿山甲鱗片織構(gòu)的刀具能降低切削力和刀具溫度[5]。

作為干黏附的杰出代表，在墻壁上自由爬行的壁虎早在200年前就進(jìn)入了科研工作者的視野。壁虎腳掌是一個(gè)多尺度的黏附系統(tǒng)，分為黏性薄片、網(wǎng)狀陣列、剛毛、尖端4個(gè)層次[6]。通過不同壁虎黏附能力和腳掌形貌的對(duì)比，人們發(fā)現(xiàn)黏附性能和腳掌剛毛的構(gòu)筑規(guī)范性成正比[7]。

一些動(dòng)物優(yōu)異的濕黏附特性也引起了研究人員的關(guān)注。洪流蛙可以在瀑布沖刷的巖石上生活，而樹蛙可以攀附在熱帶雨林的樹枝上。Endlein等比較了洪流蛙和樹蛙在水流沖刷下的攀附能力，發(fā)現(xiàn)洪流蛙攀附能力更強(qiáng)，同時(shí)觀察腳掌后發(fā)現(xiàn)洪流蛙腳掌的細(xì)胞被拉伸，同時(shí)細(xì)胞間的通道更直，可以促進(jìn)多余的水排出[8]。很可能是生活環(huán)境的不同導(dǎo)致這2種動(dòng)物在被水流沖刷時(shí)的攀附能力存在差異。

Wang等通過攀附試驗(yàn)對(duì)東方蠑螈進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)東方蠑螈表現(xiàn)出良好的攀附能力，在少水光滑的表面攀附角度甚至達(dá)到180°，且東方蠑螈的大小對(duì)其攀附能力有一定影響[9]。東方蠑螈多數(shù)棲息在潮濕的土洞或石縫間，一種生活在溪流中的無斑肥螈引起了費(fèi)梁等的注意，盡管其生存環(huán)境與東方蠑螈存在著明顯的差異[10-11]，無斑肥螈可以攀附在光滑的壁面上，甚至可以從養(yǎng)殖缸中輕松逃脫。

生活環(huán)境的不同對(duì)洪流蛙和樹蛙在攀附特點(diǎn)和體表形貌上存在一定的影響。與東方蠑螈生活環(huán)境不同的無斑肥螈在攀附能力和體表形貌上與東方蠑螈也有一定差異，且無斑肥螈的腳掌結(jié)構(gòu)等方面研究還處于空白狀態(tài)。鑒于此，試驗(yàn)研究無斑肥螈的攀附能力并探究無斑肥螈的體表形貌具有重要意義。

本研究在不同的潮濕條件下，測(cè)量無斑肥螈在3種表面上的攀附角度，通過環(huán)境掃描電鏡觀察無斑肥螈的體表形貌，總結(jié)無斑肥螈攀附能力的特點(diǎn)，討論無斑肥螈體表形貌和攀附能力之間的關(guān)系，旨在為仿生表面設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 無斑肥螈簡介

無斑肥螈屬于有尾目蠑螈科肥螈屬，身體圓潤肥大，尾部占據(jù)身體長度約1/3。如圖1所示，無斑肥螈的后背呈現(xiàn)棕褐色且皮膚細(xì)致光滑，腹部橙褐相間。本試驗(yàn)選擇的無斑肥螈長度范圍為13～16 cm，體質(zhì)量范圍為6～9 g。

1.2 攀附試驗(yàn)

試驗(yàn)使用如圖2所示的裝置來測(cè)試無斑肥螈的攀附角度，同時(shí)選用光滑玻璃板、光滑大理石板和粗糙大理石板作為測(cè)試表面。3種材料粗糙度和接觸角見表1。

開始試驗(yàn)前，先后用乙醇和去離子水清潔測(cè)試表面后吹干。然后通過噴灑去離子水得到2種不同的濕度條件。無水條件是未噴水的測(cè)試表面，少水條件的測(cè)試表面含水量約為 12.5 g/m2，多水條件的測(cè)試表面含水量約為67.5 g/m2。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，從培養(yǎng)盒中取出無斑肥螈，并用濾紙吸干其體表的水分，然后放置到準(zhǔn)備好的平面上。改變測(cè)試表面的角度，當(dāng)無斑肥螈剛從測(cè)試表面滑落或者掉落時(shí)記錄角度。

1.3 環(huán)境掃描電鏡觀察試驗(yàn)

首先用醫(yī)用手術(shù)刀切下無斑肥螈的腳掌和腹部皮膚，并清洗腳掌與腹部皮膚上的殘留污物。然后將樣本浸沒在戊二醛溶液中固定一段時(shí)間。取出樣本，用磷酸鹽緩沖液進(jìn)行漂洗。然后用乙醇對(duì)樣本進(jìn)行梯度脫水，再使用臨界點(diǎn)干燥器對(duì)樣本進(jìn)行干燥處理。再把樣本按一定的順序固定在樣本臺(tái)上，放入離子濺射儀進(jìn)行噴金（厚度約為10 nm）。最后在環(huán)境掃描電鏡（Quanta 200）中抽取真空并進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 攀附試驗(yàn)

圖3至圖5為無斑肥螈在光滑玻璃板、光滑大理石板和粗糙大理石板3種表面上的攀附角度。在光滑玻璃板表面，無水狀態(tài)下的無斑肥螈攀附角度不穩(wěn)定，角度在150°～180°之間。在有水存在的情況下，無斑肥螈可以穩(wěn)定在180°，由此可見，少量的水可以提高無斑肥螈的攀附能力。在光滑大理石板上，無斑肥螈在無水和少水2種狀態(tài)下攀附角度可以穩(wěn)定在180°，但是多水狀態(tài)下，無斑肥螈攀附角度在 40°～80°之間，可見水比較多時(shí)，會(huì)在一定程度上降低無斑肥螈的攀附能力。在粗糙大理石板上，無斑肥螈的攀附角度在3種水量下都可以穩(wěn)定在180°，可見無斑肥螈對(duì)有粗糙度的表面有比較好的適應(yīng)能力。

整體上看，在多種狀態(tài)下無斑肥螈的攀附角度都可以達(dá)到180°。除了在光滑玻璃板無水條件和光滑大理石板多水條件這2種情況以外，無斑肥螈的攀附角度都可以穩(wěn)定在180°，可以推斷無斑肥螈在這幾種狀態(tài)下的黏附力是明顯大于自身重力的。由此可見，無斑肥螈攀附能力比較優(yōu)秀。

在無水條件下無斑肥螈攀附角度可以超過90°，可能不僅僅是靠2個(gè)表面之間的摩擦力，有可能是因?yàn)闊o斑肥螈體表分泌了一定的汗液或者黏液。無斑肥螈在光滑大理石板的多水狀態(tài)下攀附角度小于80°，還有待于探明原因。

2.2 環(huán)境掃描電鏡觀察試驗(yàn)

2.2.1 腳掌外形和形貌觀察 如圖6所示，無斑肥螈腳掌皮膚由直徑約為30～50 μm的多邊形上皮細(xì)胞組成，相鄰細(xì)胞間通過溝槽隔開。溝槽相連接，形成網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)溝槽寬度在1.5 μm左右。

在無斑肥螈腳掌上分布著長約15.6 μm，寬約6.8 μm的橢圓形凹坑。這些凹坑無一例外地分布在六邊形細(xì)胞的交界處。仔細(xì)觀察圖6發(fā)現(xiàn)，除了六邊形細(xì)胞形成之間的溝槽連接而成的網(wǎng)狀溝槽之外，在六邊形細(xì)胞上也存在著更加狹窄的溝槽（如圖6中白色箭頭所指），狹窄的溝槽相互連接形成了另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。目前暫時(shí)沒有在東方蠑螈腳掌上觀察到類似的凹坑和2種溝槽。

圖7展示了六邊形細(xì)胞表面分布的納米柱，直徑約為190～214 nm。納米柱聚集成為一簇，相鄰2簇之間的距離約為150～900 nm。掌心和腳趾指肚上找到了可能是黏液腺的結(jié)構(gòu)（圖8、圖9）。2個(gè)黏液腺都是窄而長的形狀，可能是因?yàn)樵谥苽錁悠返倪^程中產(chǎn)生了變形。

2.2.2 腹部形貌觀察 制樣之后，腹部皮膚的皺褶更加明顯（圖10）。腹部表皮上沒有六邊形結(jié)構(gòu)，但是存在分界線把細(xì)胞劃分成了不同的區(qū)域（圖11）。如圖12所示，腹部表皮的微結(jié)構(gòu)由密集的圓形或者橢圓形孔組成，這和腳掌的微結(jié)構(gòu)完全不同。這些納米孔的直徑范圍為100～300 nm。圖13為納米孔的細(xì)節(jié)。這些納米孔之間的間隔具有圓弧狀的凸起，而不是平面。圖14為無斑肥螈腹部的腺體。腺體寬4.24 μm，長12.34 μm。腺體處似乎也殘留了黏液。

2.2.3 黏附機(jī)制討論 因?yàn)楸砻娌y度和粗糙度，固體界面之間的實(shí)際接觸面往往遠(yuǎn)小于名義接觸面，這是宏觀固體面之間通常不會(huì)黏附的原因。然而哪怕是在粗糙或者彎曲的表面上，自然界中生物的表面都可以實(shí)現(xiàn)很好的黏附效果。無斑肥螈就是其中的佼佼者。無斑肥螈腳掌表面由六邊形上皮細(xì)胞組成，細(xì)胞之間通過溝槽分隔開。之前的研究表明，這種六邊形結(jié)構(gòu)可以在有水的條件下提供更高的摩擦力，這在一定程度上提高了無斑肥螈的攀附角度[12]。無斑肥螈主要依靠六邊形之間的溝槽進(jìn)行排水，而往往溝槽的寬度越寬，排水能力也就越強(qiáng)。

六邊形細(xì)胞上的納米柱似乎可以很好地變形來提高實(shí)際接觸面積，對(duì)不同粗糙度的表面都可以有很好的攀附效果。相比東方蠑螈腳掌納米柱分布規(guī)律，更加稀疏的納米柱可以降低無斑肥螈腳掌潤濕性，進(jìn)一步提高排出多余水分的能力。無斑肥螈的腳掌具備腳趾-六邊形-納米柱多層次的黏附系統(tǒng)，可以提高無斑肥螈在不同條件下的攀附能力。

在攀附時(shí)，無斑肥螈的腹部和尾部都附著在表面上，這可以提高攀附角度。無斑肥螈腹部皮膚上的微結(jié)構(gòu)是凹坑陣列。腹部的微凹坑結(jié)構(gòu)可以存貯一定量的水分和黏液，同時(shí)又能在水量過多的時(shí)候把水分排出去，減少水量過多對(duì)黏附能力的影響。微凹坑結(jié)構(gòu)可以提高腹部對(duì)不同水量的適應(yīng)能力。除此之外，對(duì)這些微凹坑結(jié)構(gòu)還具備哪些功能了解的還很少，需要進(jìn)行更多的研究。

由此可見，無斑肥螈具備直徑更大的多邊形細(xì)胞，更寬的溝槽;無斑肥螈的納米柱橫截面積更大，而且分布稀疏。與東方蠑螈在腳掌上的差異似乎可以解釋為什么無斑肥螈具備更強(qiáng)的攀附能力，而且在多水狀態(tài)下差異更加明顯。由此可以猜測(cè)，在材料表面添加這樣的六邊形陣列，同時(shí)在六邊形表面制作稀疏的納米柱可以提高材料在多種粗糙表面的黏附能力。

3 結(jié)論與討論

本研究通過攀附試驗(yàn)研究了在不同潤濕條件下，光滑玻璃和大理石表面上無斑肥螈的攀附能力。通過環(huán)境掃描電鏡試驗(yàn)觀察了無斑肥螈腳掌和腹部的形貌。

多數(shù)情況下，無斑肥螈都可以在表面干燥或者有水時(shí)實(shí)現(xiàn)大角度攀附。只有在多水條件下，在光滑大理石板上攀附角度遠(yuǎn)小于180°。

無斑肥螈腳掌的特征適應(yīng)它在自然條件下對(duì)提高黏附能力的要求。無斑肥螈腳掌表皮由多邊形上皮細(xì)胞組成，被溝槽分隔開。多邊形上皮細(xì)胞上分布著納米柱。腹部表皮分布著密集的圓形或者橢圓形的微凹坑結(jié)構(gòu)。

無斑肥螈的體表形貌一定程度解釋了為什么無斑肥螈具備更好的攀附能力，同時(shí)也為仿生表面織構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

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