壁虎爬墻壁的科學分析

趙興華

(拱北中學 廣東 珠海 519021)

童年的時候，常常驚訝于壁虎能在豎直的墻壁上疾步如飛，不會掉下來．所以在夏天的傍晚，我總喜歡用手捂住雙耳，站在電燈附近的墻壁下，觀看壁虎吃飛蛾的情景．壁虎通常趴在墻上，一動不動，等有飛蛾落在附近，便以迅雷不及掩耳之勢把飛蛾咬在嘴里．如果有好事之徒用棍子去捅它，它會立即甩掉尾巴逃走，被甩掉的尾巴會像一條落地的泥鰍在地上活蹦亂跳地跳上好一陣子．聽人說，這蹦跳著的尾巴一不留神就會跳進小孩子的耳朵眼里，然后就鉆進了腦殼里，這孩子就成了傻子．因此，我每每站在墻邊觀察壁虎的時候總是用兩只手緊緊地捂住耳朵，以防不測．壁虎這種奇妙的小動物在我心里留下了深刻印象．

不管是粗糙的墻面，還是光滑的鏡面，壁虎都能像武林高手一樣如履平地、獨步天下(圖1)．為什么壁虎具有這樣的神奇功夫呢？通常人們都認為壁虎的腳趾的形態像真空吸盤，因此就判斷壁虎是利用大氣壓強爬上了墻壁．這不，就有中考物理試題涉及到了這個問題．

圖1 攀援高手——壁虎

【題目】(2010年廣安中考卷第13題)動物的生理結構是它適應自然、長期進化的結果，為它的生存起到了重要作用，下列實例用物理知識來解釋不正確的是

A．啄木鳥嘴的尖喙能讓它在啄木時對樹木產生很大的壓強，從而啄穿樹木

B．壁虎腳掌上的吸盤，能利用大氣壓強把自己牢牢地粘在墻壁上

C．駱駝腳掌寬大可以增大它對地面的壓強，方便在沙漠中行走

D．深海魚到淺海后由于水壓的減小所以不能成活

命題者提供的閱卷標準答案是 選項C，說明命題者也認為壁虎是利用大氣壓強爬上墻壁的．事實真的如此嗎？

只要稍加分析就能判斷這個觀點是不靠譜的.吸盤要想利用大氣壓強吸住物體的表面，吸盤的邊緣必須與物體的表面嚴絲合縫地緊貼在一起，以免漏氣，因而吸盤只能吸住表面十分光滑的物體，無法吸住表面粗糙的物體．但壁虎無論是在粗糙的墻壁上還是光滑的玻璃板上均能輕松自如地行走，這就說明了壁虎不是利用大氣壓強爬上墻壁的．

1934年，有一個叫做沃爾夫·德利特(Wolf-Dietrich Dellit)的德國人就已經利用實驗的方法推翻了這種說法．德利特把壁虎放在玻璃罩里，然后把玻璃罩里的空氣抽走，結果壁虎仍然可以爬上豎直的玻璃——吸盤說被實驗證明是錯誤的了．那壁虎到底依靠什么絕技能夠爬上墻壁，甚至豎直的玻璃板的呢？

在比德利特的研究更早的1872年，就有人用顯微鏡觀察，發現壁虎的腳趾板上布滿了細小的剛毛，并且剛毛的末端似乎是彎曲的，于是人們想到了尼龍粘扣，提出壁虎的腳底板上長著末端彎曲的剛毛起到了與維可牢尼龍粘扣上的芒刺小鉤相同作用的猜想．可問題是，維可牢尼龍膠帶需要芒刺小鉤和尼龍搭扣在一起相互配合才能發揮作用，但拋光的玻璃等光滑物體的表面并沒有能供小鉤子鉤住類似尼龍搭扣的突起，壁虎卻能夠順利攀爬，這說明“芒刺小鉤”猜想也不符合事實．

圖2 形形色色的壁虎腳趾

由于成像原理的限制，光學顯微鏡極限分辨率只有0.3 μm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20世紀50年代，分辨率更高的電子顯微鏡的出現，人們才擁有了更適于研究壁虎神奇攀爬術的工具(圖2)．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100～1 000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[1]．這樣，壁虎腳趾剛毛上的絨毛和物體表面就有很大的接觸面積，而分子與分子之間存在著相互作用的吸引力，這種力叫做范德華力(亦稱范德瓦爾斯力)，雖然單對分子之間的范德華力是很小的，但如果相互作用的分子數量巨大，這些微小的力疊加起來后就很可觀了．由此猜測，壁虎是靠腳趾剛毛上的絨毛分子和物體表面分子產生的范德華力而攀爬上墻壁的．

2000年，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)合作發表論文，詳細描述了壁虎腳趾上剛毛的結構，計算出了壁虎腳趾和墻壁之間的“吸力”大小．他們在研究過程中選擇的是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 cm，重近300 g——蛤蚧幾乎是依靠范德華力飛檐走壁的最重的動物．經過測量，蛤蚧每個腳掌的面積大約是227 mm2，共長著3 268 800根剛毛，總共可以產生約20 N的吸附力，而它的重力只有大概3 N[2]．也就是說，僅憑一只腳，壁虎也可以牢牢地吸附在天花板上．由此，關于壁虎腳底毛黏附機制的范德華力假說已得到學術界廣泛的認同．

最近，南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所的研究人員對這個問題又有了新的研究進展，他們進一步研究了正常狀態下、麻醉狀態下以及離體壁虎腳底毛的形態和黏附性能的變化，研究結果表明，范德華力論是不全面的，壁虎腳底毛黏附機制中還存在著更為復雜的生物學效應[3]．

顯然，壁虎爬上墻壁的力學機制與大氣壓強的確沒有絲毫的關系．也許，有人會疑問，花費這么多的精力研究壁虎爬墻的腳底毛黏附機制是否值得．研究清楚這個問題，具有很重要的仿生學意義，人們很早就在尋找仿造壁虎腳掌結構的材料，但如果按照錯誤的認識去仿生，研究的方向就出了錯，那注定會失敗．只有在正確的認知條件下，才可能成功．2008年，一位業余攀巖愛好者就使用了羅伯特福教授的仿生材料爬上了18 m高的樓頂．2012年，南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所在一位教授的領導下研發出了一種仿壁虎機器人，這款機器人的腳掌上附著了一層碳納米管，幾乎可以達到與壁虎腳掌剛毛一樣的結構．除了壁虎腳掌特殊的結構使他善于攀爬以外，特殊的運動軌跡還能讓他在吸附和脫附的過程中異常省力．但目前已經實現的仿壁虎機器人還無法做到像真正的壁虎那樣運動自如，還需要進一步研究才能逐步完善[4]．

參考文獻

1 Rodolfo Ruibal, Valerie Ernst. The structure of the digital setae of lizards.Journal of Morphology. November. 1965，Volume 117, Issue 3, 271～293

2 Autumn, K., Liang, Y.A., Hsieh, S.T., Zesch, W., Chan,W-P.,Kenny, W.T., Fearing, R. and Full, R.J., Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature. 2000，Vol. 405, 681～685

3 郭策,孫久榮,戈應濱,等.壁虎腳底毛黏附機制的生物學效應.中國科學: 生命科學,2012,42: 135～142

4 李嬋.《碟中諜 4》:人性需求與明日科技.北京科技報,2012-02-13(2)