揭秘 壁虎能爬牆之謎

《碟中諜4》中最熱血的橋段莫過於阿湯哥徒手攀爬世界第一高樓——哈利法塔了。而湯哥的萌呆同伴提供給他的看似好用，關鍵時候又掉了鍊子的神奇壁虎手套無疑為劇場裡的驚聲尖叫增加了不少分貝。阿湯哥在哈利法塔外牆上留下瀟灑的身影，正是憑藉手上的那對壁虎手套，你是不是也想擁有這樣一件“神器”？

阿湯哥在哈利法塔外牆上留下瀟灑的身影，正是憑藉手上的那對壁虎手套，你是不是也想擁有這樣一件“神器”？
壁虎漫步，獨門舞步
現實中，這樣的壁虎手套真的存在嗎？在回答這個問題之前我們必須先研究一下壁虎，要搞清楚它為什麼能飛簷走壁，還真不是一件容易的事。這本應該是一個尋常的問題，畢竟壁虎並不是什麼稀奇的動物，我們的先人還在住山洞的時候就與之為鄰了，而壁虎在天花板上藐視重力行走如飛這樣反常理的現象理應當能牢牢地吸引人們的注意，並使人苦苦求解。但是當我搜索歷史記錄時，僅在無所不在的亞里士多德老人家那裡看過一筆，而且沒有答案，亞里士多德將其歸咎於超自然的力量。 

不管是粗糙的牆面，還是光滑的鏡面，壁虎都能疾步而飛。 

這個問題就這麼一直懸著，直到19世紀，人們才開始提出一些逐漸靠譜的答案。最先想到的是粘液說，但是經過仔細觀察，壁虎的腳上並沒有可以分泌粘液的腺體，所以這個說法很快被終結了。 是不是吸盤呢？自然界裡也不乏用吸盤來飛簷走壁的高手，1934年，德國科學家沃爾夫德利特（Wolf-Dietrich Dellit）在他出版的《壁虎的解剖與生理》（Zur Anatomie und Physiologie der Geckozehe）一書中記載了一個實驗。德利特把壁虎放在玻璃罩子裡，然後把玻璃罩裡的空氣抽走，結果壁虎仍然可以爬上垂直的玻璃——吸盤說被終結了。 而後人們又想到了靜電，把氣球在頭髮上蹭幾下它就能吸在天花板上，壁虎是不是這樣做的呢？又有“好事者”用X光將空氣電離，然後在電離的空氣裡放上一塊金屬板，這時靜電荷是不會在金屬板上蓄積的。又一次，壁虎哧溜溜的破解了這個說法。 腳底板有毛，范德華給力 又是被抽真空，又是被X光輻射，壁虎可真沒少遭罪。轉了一圈，注意力又重新回到了壁虎的腳上。早在1872年，就有科學家用顯微鏡觀察發現壁虎的腳底板上佈滿了細小的剛毛，並且剛毛的末端似乎是彎曲的，於是人們想到了尼龍粘扣。難不成壁虎的腳底板上長著維可牢不成？可問題是，維可牢也得兩片在一起才能發揮作用啊？諸如高度拋光的玻璃等光滑的表面並不能阻止壁虎的攀爬，而那裡並沒有能供小鉤子鉤掛的突起。 形形色色的壁虎腳趾圖/matterism.com 由於光學顯微鏡原理的限制，它的極限分辨率只有0.3微米左右，而壁虎剛毛的直徑已經接近了這個分辨率極限。所以直到上世紀50年代，更高分辨率的電子顯微鏡的出現，才給人們以研究壁虎神奇攀爬術的工具。1965年，來自美國加州大學河濱分校的生物學家瑞寶（Rodolfo Ruibal）把壁虎的腳放在了電子顯微鏡下，他發現那些看似小鉤子一樣的剛毛末端，實際上是開叉的，每根剛毛都分成了100-1000根更細的絨毛，這些絨毛極大的增加了壁虎腳掌的面積，特別是當壁虎攀在那些粗糙的物體表面時，這些絨毛更能填滿那些細小的坑洼。 

說到這裡，各位可能要回顧一下中學化學和物理的內容了。因為接下來我們要提到一個概念，這就是范德華力。所謂范德華力，又叫分子間作用力，是一種發生於分子與分子之間的吸引力，相比讓原子構成分子的那些作用力，范德華力很小，生活中我們往往不會在意到它的存在。但是這個很小，只是相對來說的。下面的小實驗可以讓你體會到范德華力的力量。 找兩本厚一點的書，最好是紙張薄軟一點的，像洗撲克牌一樣把兩本書的書頁一張壓一張的疊在一起。全部疊完後用手壓一壓，然後分別抓住兩本書的書脊，試試能把它們拉開嗎？把兩本書“粘”在一起的力量，就是范德華力。如果你沒有耐心把兩本書一頁一頁的交疊，也可以去買一部新手機。很多人都特別享受揭開新手機屏幕保護膜的那個瞬間，其實那層膜就是靠范德華力“粘”在手機屏幕上的。由於范德華力的作用距離非常小，當你揭開保護膜的一角輕輕拉起，只要膜和屏幕不再緊密接觸，范德華力就失去了作用，這時那層不管你怎麼搓怎麼蹭都不會掉的膜，就輕鬆脫落了。壁虎的腳趾，使用的正是“揭膜大法”。 


壁虎爬牆，疑問塵埃落定 壁虎爬牆問題的最終解決，一直要等到2000年。這一年，來自美國劉易斯克拉克大學的凱拉奧特姆（Kellar Autumn）小組和加州大學伯克利分校的羅伯特福（Robert Full）合作發表了文章，詳細描述了壁虎腳剛毛的結構，計算出了壁虎腳的“吸力”大小。這些科學家選擇了我國南方和東南亞地區常見的蛤蚧作為研究對象。之所以選了它，是因為蛤蚧是世界上體型最大的壁虎，成年體長近40厘米，重近300克。事實上蛤蚧幾乎是依靠范德華力飛簷走壁的最重的動物。經過測量，蛤蚧每個腳掌的面積大約是227平方毫米，共長著3268800根剛毛，總共可以產生約20牛頓的吸附力，而它的重力只有大概3牛頓。也就是說，僅憑一隻腳，壁虎也可以牢牢的吸附在天花板上。 同時，這兩個小組還解決了兩個關鍵問題： 首先，壁虎是怎樣拔腳的？既然它的腳可以產生這麼大的吸附力，壁虎又是怎樣做到收放自如的呢？其實，壁虎是在用揭手機膜的方法拔腳的。通過高速攝像機，科學家們觀察到壁虎每次拔腳都是從向上捲曲趾尖開始的，相當於先揭開一角。從彎曲趾尖到整個腳脫離平面，只用短短的15毫秒。 

壁虎腳趾葉狀結構上，有著數以百萬計的剛毛，每根剛毛又都分成100-1000根更細的絨毛，這些絨毛極大的增加了壁虎腳掌的面積。圖/chemengr.ucsb.edu 


那麼，壁虎腳上的這些剛毛粘了臟東西怎麼辦？如前所述，范德華力的作用距離很小，就好像手機貼膜如果粘了灰塵，就不好使了。壁虎生活的環境可不是那麼乾淨，灰塵、花粉顆粒，這些都足以讓壁虎失足，可是也沒見哪隻壁虎好端端的從天花板上掉下來。經過研究，壁虎的剛毛不但擁有像荷葉一樣的“超疏水性”，任何水滴都會從它的表面滑落下來順便帶走灰塵；而且它剛毛上的絨毛尺寸比灰塵小得多，以至於這些絨毛對灰塵的吸附力不及灰塵與牆面的吸附力，這是真正的踏雪無痕。 壁虎手套？這個真沒問題 有了這麼好的研究，那些工科男肯定不會幹坐著。別的不說，哪怕是用這種技術改造一下足球守門員的手套——那些著名的“黃油手”門將肯定得排隊去買。 


2001年，美俄兩國科學家共同開始研發“壁虎膠帶”，這是膠帶史上的一次革命，因為這種膠帶是真正的“不濕膠”膠帶，也就是所謂的干性粘接。2003年，成品問世，這是一種甚至動用了可以操縱單顆原子運動的原子力顯微鏡在內的各種精密儀器生產出來的膠帶。半個指甲蓋那麼大一點就可以把一隻蜘蛛俠玩偶粘在天花板上。但是，與壁虎相比，它的粘性還太低，壽命也太短。更關鍵的是，這玩意兒奇貴無比，經過計算，製造能粘住一個人重量的壁虎膠帶，需要花費100萬美金。 2005年，美國的一組科學家用碳納米管模擬了壁虎剛毛的結構，這種碳納米管膠帶的粘性甚至大於天然的壁虎腳。問題依然是，材料過於脆弱，幾乎無法重複使用，並且還是太貴。 不過沒關係，電子計算機剛問世的時候還又貴又不好用呢。雖然仿生壁虎腳還面臨很多難題，科學家們已經為它描繪了美妙的未來。手術切口？粘一條！輪胎打滑？粘一條！爬牆機器人？一個腳上粘一條！以後再也不用擔心不干膠貼紙撕不干淨難清理了。 至於壁虎手套，那自然是沒有問題。而且，真正的壁虎手套比阿湯哥那雙要高檔得多，因為乾性粘接本身無需能源，因此沒電失效這種事是不會發生的。但是真正造出來的壁虎手套可能沒阿湯哥那雙那麼拉風，或者說過於拉風了。前面我們說了，蛤蚧幾乎是用范德華力爬牆的最重的動物。而壁虎手套產生的粘性與手套的面積成正比，而它需要克服的重力則與物體的體積成正比。拿人與蛤蚧相比，人手掌的面積大約是蛤蚧前腳掌面積的70倍，而體重則是蛤蚧的200多倍。還要考慮到人的腳沒有蛤蚧腳靈活，不太好佈置一副腳套。因此人的“壁虎手套”面積應該比手掌大五六倍才能如蛤蚧般牢靠。 事實上，在現實生活中已經有地球人利用壁虎手套爬牆了。2008年，業餘攀岩愛好者沃林斯基小姐（Lynn Verinsky）用羅伯特福教授設計的“壁虎手套”——實際上是“壁虎板子”成功爬了一段垂直的牆壁。當然，絕對沒有阿湯哥在哈利法塔外牆上那般瀟灑。