壁虎为何能飞檐走壁？不只有范德瓦耳斯力的功劳

大壁虎（Tokaygecko）的爪垫放大图。图片来源：Yi Song

撰文 | Jennifer Ouellette

翻译 | 范嘉豪

审校 | 孟凡琼

众所周知，壁虎十分善于攀爬。借助脚底细小的毛状结构，它们可以吸附在任何物体的表面上。近日发表于《生物学快报》的一项研究中，美国国家标准与技术研究院（NIST）与来自美国俄勒冈州、丹麦和德国的科研人员合作，利用高能同步加速器对这些绒毛结构进行了更进一步的观察，发现在刚毛的直立方向上覆盖了一层超薄的脂质分子层。

壁虎的爪垫披覆着细小的毛状突起，这些突起被称为 " 刚毛 "（setea），每根刚毛又分叉成数百根更细的 " 铲状匙突 "（spatulae）。科学家早就发现，范德瓦耳斯力——两个偶极子之间的吸引力和排斥力，在微观尺度上会变得极其显著。因此，当壁虎脚上的绒毛与墙壁和天花板非常接近时，绒毛分子和墙壁分子中的电子就会发生相互作用，产生电磁吸引力，使壁虎在光滑表面上自由攀爬。虽然蜘蛛、蟑螂、甲虫、蝙蝠、树蛙和蜥蜴的脚大小不同，但都是借助这种力黏着在物体表面的。

左：壁虎的脚；中：壁虎脚趾上刚毛的扫描电子显微图，"sp" 标示了铲状匙突的位置；右：一根匙突的特写镜头。图片来源：（左）Bjørn Christian Tørrissen；（中，右）StanislasGorb/Kiel University

长期以来，科学家对壁虎及其特殊的脚趾保持着浓厚的研究兴趣。在 2013 年，美国加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分校（Universityof California，Santa Barbara）的科学家设计了一种可重复使用的干式粘合剂。这种粘合剂可以轻易贴在光滑的表面上，向前推时会变粘，向后拉时则会脱落，其设计灵感就是壁虎的脚趾。科学家在这种硅基粘合剂中制造了半圆柱形的纤维，其形状和角度变化带来了这种具有方向性的粘着力。推动粘合剂时，半圆柱形纤维的平面被下压，接触面积增大，粘合剂就黏着在了玻璃表面上；而拉动粘合剂，使半圆柱纤维的曲面朝下，接触面积就减小了，粘合剂从而轻易脱落。

美国加利福尼亚大学伯克利分校（University of California，Berkeley）的科学家在 2020 年探究了为什么壁虎的脚趾柔软多毛，却只会在一个方向上产生 " 黏性 "：把壁虎的脚往某一方向拉时，它的脚趾会牢牢吸住物体表面；松开脚时，脚趾则会向相反方向剥离，而这并不阻碍壁虎向任意方向灵活移动。研究还发现，壁虎可以调整自己的脚趾来侧身攀爬，速度和向上攀爬一样快。拥有多根脚趾也让它能吸附在湿滑或不规则的物体表面。不仅如此，这些柔软的脚趾还能帮助壁虎适应粗糙表面，接触物体的脚趾也可以改变方向来分担负载。

然而，科学家对壁虎爪垫表面，尤其是刚毛的化学结构依然知之甚少。在这篇近日的论文中，研究团队对这一方面，尤其是水在表面粘附力中可能存在的关键作用进行了更多研究。" 目前对刚毛的物理机制已有了许多认识，" 该论文的作者之一，NIST 的物理学家切尔诺 · 杰伊（ChernoJaye）说，" 而我们现在更好地了解了刚毛的分子结构 "。

NIST 物理学家丹 · 费希尔（Dan Fischer, 左）和切尔诺 · 杰伊（右）在布鲁克海文国家实验室（Brookhaven NationalLaboratory）的同步加速器显微镜旁。图片来源：C.Weiland/NIST

论文作者表示，近期的研究已经发现，在壁虎的脚印和爪垫的大量刚毛中存在某种疏水性的脂质分子（这也存在于爬行动物的表皮上，以类似砖墙的图案排列）。NIST 所使用的同步加速器显微镜非常适合观察这种分子结构，因为它不仅可以识别出三维物体表面的分子，还能精确地显示出分子的位置和方向。

研究人员推测，这层约 1 纳米厚的脂质薄膜或许可以排开铲状匙突下的水，使匙突与物体表面充分接触，从而帮助壁虎在潮湿的表面上保持抓力。此外，刚毛和铲状匙突由角蛋白构成，类似于人类头发和指甲中的蛋白质。研究发现，角蛋白纤维的排列方向与刚毛方向一致，这或许增强了刚毛的抗磨损能力。

壁虎脚上铲状匙突的结构示意图。绿色的片状物代表角蛋白，灰色的曲线代表脂质分子。图片基于 NIST 同步加速器显微镜的数据。（图片来源：MarianneMeijer/Kerncraft Art & Graphics）

很多过去的发明都受到了壁虎脚的启发，如前文所提到的干式粘合剂、附有人造刚毛的黏力攀爬机器人等。杰伊等科学家认为他们最近的研究可以应用于新的产品设计，例如可以粘在潮湿表面的 " 壁虎靴 "，或者能帮助抓握潮湿工具的 " 壁虎手套 " 等。

" 壁虎脚的系统最震撼我的地方就是从宏观到微观，甚至是在分子层面上，所有方面都得到了完美的优化，" 论文的作者之一，来自德国基尔大学（Kiel University）的生物学家斯坦尼斯拉夫 · 戈尔（Stanislav Gorb）说，" 这或许可以帮助仿生学工程师找到下一步的方向 "。