为什么壁虎可以飞檐走壁,壁虎为什么能
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小时候看武侠剧时,很多小伙伴是不是非常羡慕那些轻功了得的大侠,幻想着有一天也能像他们一样厉害能够飞檐走壁。然而,在动物界中我们熟知的壁虎早已习得这项武功,壁虎能在完全光滑的垂直墙壁上攀爬,甚至能在天花板上自由地爬行,那么壁虎是怎么学会“飞檐走壁”的呢?
科学家研究发现,一些两栖动物之所以能够飞檐走壁,是靠指、趾末端的吸盘吸附在墙壁上。于是很多人认为壁虎的脚掌看起来就是一个吸盘,利用压强差便能吸在墙壁上。但事实并非如此,那么壁虎的脚掌究竟有什么神奇之处呢?
在20世纪60年代,科学家们利用扫描电镜发现了壁虎脚掌上错综复杂的黏附系统结构:壁虎的黏附系统是一种多分级、多纤维状表面的结构。壁虎的每个脚趾上都长着数百万根长度为30-130微米的刚毛,每根刚毛末端又有100-1000根长度及宽度为0.2-0.5微米的铲状绒毛。因此即便是光滑的玻璃,壁虎也能在上面形成独特的分子间引力,即“范德华力”。范德华力是分子间的距离非常接近时产生的一种微弱电磁力,它是一种近程力,作用范围一般在300~500pm之间,小于300pm作用力迅速增大,大于500pm作用力迅速减小。只有在两物体表面贴近到足够近时,物体表面之间才会产生范德华作用力。由于壁虎的多分级黏附系统结构非常精细,微观上接近于理想光滑结构,因此,壁虎的脚掌能够轻而易举地与各种表面达到近乎完美的结合。这样一来,大量的范德华力凝聚成的超强粘附力,就足以支撑壁虎的体重了。
还有小伙伴可能会好奇,当下雨的时候,壁虎在潮湿的环境下,脚趾会不会因为水分子而失效,从墙上掉下来呢?为了研究这个问题,科学家使用同步加速器显微镜发现,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。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。
大壁虎脚趾刚顶端的纳米级结构(灰色为疏水的脂分子层)
基于对壁虎脚趾超微结构的研究,人类已经研制出诸如相关的仿生产品。2020年4月6日,乔治亚理工学院的MichaelVarenberg教授表示,他们受壁虎爬行的启发,开发出了一种制作粘合材料的新方法。该方法便是将原料倒在光滑的表面而非模具上,让聚合物部分凝固,然后将实验室用的刀片浸入其中。原料在刀片周围稍稍溢出时拉出刀片,留下微米级的缺口,这些缺口就会被所需的粘附壁包围。Varenberg教授还称,“受壁虎启发制作的抓具上不含胶水或粘胶,它可以举起盒子等扁平物体,也能抓起鸡蛋和蔬菜之类的弯曲物体,甚至可以粘附在除特氟隆以外的其他任何物体上。”
南京航空航天大学的戴振东教授团队研制出的仿壁虎机器人,可以实现模拟空间站的外仓表面、模拟卫星的表面来实现黏附的运动。这个机器人可以完美的复原壁虎的运动,未来可以将其用于空间站上,替代航天员做航天器的检测工作。
你可能听说过,壁虎在遇到危险时会自断尾巴逃命,等过一阵子,它又会长出新的尾巴。这是真的吗?没错,壁虎确实拥有这样的特殊本领。壁虎“断尾”现象在动物学研究中叫做“自截”。“自截”并不发生在两个尾椎骨之间的关节处,而是发生于同一椎体中部的特殊软骨横隔处。这种特殊横隔构造在尾椎骨骨化过程中形成,通过尾部肌肉强烈收缩实现断开。软骨横隔的细胞拥有胚胎组织的特性,可以不断分化,因此尾巴在断开后又能在原处再次生长。
壁虎断裂的尾椎骨与完整的尾椎骨的三维成像对比
和壁虎有关的仿生产品正变得越来越多,例如生物粘合剂、仿生手套、仿生机器人等等,两栖爬行动物脚趾上的奥妙正在悄悄影响着我们的生活。
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