壁虎膠帶：飛檐走壁夢(mèng)不遠(yuǎn)？

張昊

近代，人類多項(xiàng)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(gè)道理：自然界乃是人類無(wú)盡的知識(shí)礦藏。在任何年代，仿生科學(xué)都不乏研究對(duì)象以及成功案例，人類在自然界面前，既是萬(wàn)物之靈，亦是萬(wàn)物之子。

“星期五晚的實(shí)驗(yàn)”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(xué)獎(jiǎng)。但今天要講的不是石墨烯，而是他的另外一項(xiàng)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(lì)他的學(xué)生打破常規(guī)，抽出精力做一些與自己專業(yè)幾乎毫無(wú)瓜葛的、充滿想象力的嘗試，并稱其為“星期五晚的實(shí)驗(yàn)”。大部分此類實(shí)驗(yàn)都以失敗告終，不過(guò)，其中的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(lái)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(gè)世紀(jì)以來(lái)的解剖學(xué)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(jí)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(dá)到毫米量級(jí)。同時(shí)，這些褶皺又由數(shù)萬(wàn)根微小剛毛構(gòu)成，每根剛毛的長(zhǎng)度在100微米上下，直徑約為數(shù)微米。也就是說(shuō)，十根這樣的剛毛粘在一起，也不過(guò)一根發(fā)絲粗細(xì)。然而，更令人驚奇的是，在這樣的每一根細(xì)小剛毛的頂部，還有數(shù)百根先端呈鏟狀的絨毛，這些細(xì)小絨毛的長(zhǎng)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(jiàn)，壁虎腳掌上的方寸之間真可謂是別有洞天啊！

不過(guò)，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?yàn)樵缭?0世紀(jì)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(jì)的微機(jī)電系統(tǒng)，測(cè)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(lái)，每一根的鏟狀絨毛在與墻壁接觸時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生范德華力，這是一種分子間的電性引力，實(shí)際上是一種非常弱的相互吸附作用力。然而，這上萬(wàn)根剛毛加上先端數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的鏟狀絨毛，在與墻壁表面接觸時(shí)，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(cè)出的單根剛毛在平行于墻壁方向上的附著力達(dá)到了200微牛。在受到平行墻面的下拉力后，剛毛經(jīng)過(guò)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(rèn)為，在該微位移發(fā)生的過(guò)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(dāng)然是相當(dāng)微弱的力，然而，一只常見(jiàn)的大壁虎腳掌的剛毛密度可達(dá)50萬(wàn)根每平方厘米，以4個(gè)腳掌總面積1平方厘米計(jì)算，平行墻面方向產(chǎn)生的吸附力可達(dá)100牛頓。實(shí)際上，壁虎實(shí)際的吸附能力大約為10牛每平方厘米。也就是說(shuō)，實(shí)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(shí)際值的差異暗示，壁虎腳掌吸附墻壁時(shí)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(dá)到了自身重量的10倍，相當(dāng)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(jí)微納尺度介觀結(jié)構(gòu)，正是他所擅長(zhǎng)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(qiáng)大吸附力的同時(shí)，還可以吸脫自如。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的艱苦實(shí)驗(yàn)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(jí)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(huì)失效。同時(shí)，加工成本同樣是一個(gè)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(jìn)的微加工手段。盡管如此，海姆教授的嘗試還是為科學(xué)界開辟了一個(gè)全新的研究方向，壁虎膠帶這一相當(dāng)科幻的概念自此吸引著學(xué)術(shù)界持續(xù)的關(guān)注。

2008年，佐治亞理工大學(xué)王中林教授在《科學(xué)》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(zhǎng)徑比的碳納米管陣列來(lái)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(zhǎng)度可達(dá)150微米，密度可達(dá)一平方厘米面積上10億～100億根，這個(gè)數(shù)量級(jí)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(dá)到20牛每平方厘米，平行于墻面的方向上，拉力高達(dá)100牛每平方厘米，已經(jīng)達(dá)到了壁虎實(shí)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(shí)際上在應(yīng)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(dāng)高的掛載重量，同時(shí)在垂直墻面的方向又相對(duì)容易被揭起，然后實(shí)現(xiàn)再次利用并且墻壁無(wú)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(yīng)用

目前，主流的壁虎膠帶或是在海姆的有機(jī)物表面修飾工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，或是應(yīng)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(jī)物表面修飾從制備流程上來(lái)說(shuō)似乎更為復(fù)雜，但是成品不需太大的預(yù)壓力（即安裝時(shí)候的按壓力）就可以貼合在墻面上發(fā)揮功效。不過(guò)，碳納米管陣列可以通過(guò)氣象沉積法大量合成，兩種工藝目前來(lái)看還不能明辨優(yōu)劣。

時(shí)下，關(guān)于壁虎膠帶應(yīng)用的探索在機(jī)器人開發(fā)的領(lǐng)域并不鮮見(jiàn)。各種爬行機(jī)器人完全模仿了壁虎的身體構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)器人腳部附著有壁虎膠帶，在靜態(tài)狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)墻壁的攀附。同時(shí)，壁虎腳掌的吸附和脫附過(guò)程也在此類機(jī)器人設(shè)計(jì)中有所體現(xiàn)。比如，吸附過(guò)程中，某只腳掌向墻壁施加垂直壁面方向的預(yù)壓力，同時(shí)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(guò)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(jìn)而繼續(xù)攀爬，可謂是真正的“仿生”科學(xué)了。

也許是科技進(jìn)展帶去的靈感，電影中也不乏壁虎膠帶的蹤跡。科幻動(dòng)作片《碟中諜4》中的阿湯哥，就有用壁虎手套單手掛在迪拜塔上結(jié)果險(xiǎn)些喪命的驚悚演出。前面也提到過(guò)，實(shí)際上，大壁虎腳掌的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其自身體重（100～200克），這是否是一種進(jìn)化過(guò)程中的過(guò)盈或者說(shuō)是浪費(fèi)呢？實(shí)則不然。生活經(jīng)驗(yàn)以及很多動(dòng)物學(xué)家的觀測(cè)都告訴我們，在自然條件下，相當(dāng)多的時(shí)候，壁虎可沒(méi)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(shí)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(wú)恙，這實(shí)際上是自身進(jìn)化的一種安全冗余。比起阿湯哥的命懸一線，壁虎的身手實(shí)在不知要高到哪里去了。

壁虎，誕生于5000萬(wàn)年之前的古老物種，足跡遍布全球。從古代開始，人們對(duì)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(jī)理也有諸多猜測(cè)，然而直到21世紀(jì)初，人們才真正地確認(rèn)了這種神奇的能力來(lái)自于億萬(wàn)根細(xì)小絨毛與其黏附表面的相互吸引。海姆教授敏銳的意識(shí)到其在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的潛在應(yīng)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(shuō)，自然界對(duì)人類的饋贈(zèng)不僅僅來(lái)自于有形的物質(zhì)，更來(lái)自于對(duì)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(xué)探索的神奇與美妙，更有望開創(chuàng)全新的科研領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)前所未有的科技?jí)雅e。