大壁虎（Tokaygecko）的爪墊放大圖。圖片來源：Yi Song

撰文 | Jennifer Ouellette

翻譯 | 范嘉豪

審校 | 孟凡瓊

眾所周知，壁虎十分善于攀爬。借助腳底細(xì)小的毛狀結(jié)構(gòu)，它們可以吸附在任何物體的表面上。近日發(fā)表于《生物學(xué)快報》的一項研究中，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）與來自美國俄勒岡州、丹麥和德國的科研人員合作，利用高能同步加速器對這些絨毛結(jié)構(gòu)進行了更進一步的觀察，發(fā)現(xiàn)在剛毛的直立方向上覆蓋了一層超薄的脂質(zhì)分子層。

壁虎的爪墊披覆著細(xì)小的毛狀突起，這些突起被稱為 " 剛毛 "（setea），每根剛毛又分叉成數(shù)百根更細(xì)的 " 鏟狀匙突 "（spatulae）。科學(xué)家早就發(fā)現(xiàn)，范德瓦耳斯力——兩個偶極子之間的吸引力和排斥力，在微觀尺度上會變得極其顯著。因此，當(dāng)壁虎腳上的絨毛與墻壁和天花板非常接近時，絨毛分子和墻壁分子中的電子就會發(fā)生相互作用，產(chǎn)生電磁吸引力，使壁虎在光滑表面上自由攀爬。雖然蜘蛛、蟑螂、甲蟲、蝙蝠、樹蛙和蜥蜴的腳大小不同，但都是借助這種力黏著在物體表面的。

左：壁虎的腳；中：壁虎腳趾上剛毛的掃描電子顯微圖，"sp" 標(biāo)示了鏟狀匙突的位置；右：一根匙突的特寫鏡頭。圖片來源：（左）Bjørn Christian Tørrissen；（中，右）StanislasGorb/Kiel University

長期以來，科學(xué)家對壁虎及其特殊的腳趾保持著濃厚的研究興趣。在 2013 年，美國加利福尼亞大學(xué)圣塔巴巴拉分校（Universityof California，Santa Barbara）的科學(xué)家設(shè)計了一種可重復(fù)使用的干式粘合劑。這種粘合劑可以輕易貼在光滑的表面上，向前推時會變粘，向后拉時則會脫落，其設(shè)計靈感就是壁虎的腳趾。科學(xué)家在這種硅基粘合劑中制造了半圓柱形的纖維，其形狀和角度變化帶來了這種具有方向性的粘著力。推動粘合劑時，半圓柱形纖維的平面被下壓，接觸面積增大，粘合劑就黏著在了玻璃表面上；而拉動粘合劑，使半圓柱纖維的曲面朝下，接觸面積就減小了，粘合劑從而輕易脫落。

美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校（University of California，Berkeley）的科學(xué)家在 2020 年探究了為什么壁虎的腳趾柔軟多毛，卻只會在一個方向上產(chǎn)生 " 黏性 "：把壁虎的腳往某一方向拉時，它的腳趾會牢牢吸住物體表面；松開腳時，腳趾則會向相反方向剝離，而這并不阻礙壁虎向任意方向靈活移動。研究還發(fā)現(xiàn)，壁虎可以調(diào)整自己的腳趾來側(cè)身攀爬，速度和向上攀爬一樣快。擁有多根腳趾也讓它能吸附在濕滑或不規(guī)則的物體表面。不僅如此，這些柔軟的腳趾還能幫助壁虎適應(yīng)粗糙表面，接觸物體的腳趾也可以改變方向來分擔(dān)負(fù)載。

然而，科學(xué)家對壁虎爪墊表面，尤其是剛毛的化學(xué)結(jié)構(gòu)依然知之甚少。在這篇近日的論文中，研究團隊對這一方面，尤其是水在表面粘附力中可能存在的關(guān)鍵作用進行了更多研究。" 目前對剛毛的物理機制已有了許多認(rèn)識，" 該論文的作者之一，NIST 的物理學(xué)家切爾諾 · 杰伊（ChernoJaye）說，" 而我們現(xiàn)在更好地了解了剛毛的分子結(jié)構(gòu) "。

NIST 物理學(xué)家丹 · 費希爾（Dan Fischer, 左）和切爾諾 · 杰伊（右）在布魯克海文國家實驗室（Brookhaven NationalLaboratory）的同步加速器顯微鏡旁。圖片來源：C.Weiland/NIST

論文作者表示，近期的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在壁虎的腳印和爪墊的大量剛毛中存在某種疏水性的脂質(zhì)分子（這也存在于爬行動物的表皮上，以類似磚墻的圖案排列）。NIST 所使用的同步加速器顯微鏡非常適合觀察這種分子結(jié)構(gòu)，因為它不僅可以識別出三維物體表面的分子，還能精確地顯示出分子的位置和方向。

研究人員推測，這層約 1 納米厚的脂質(zhì)薄膜或許可以排開鏟狀匙突下的水，使匙突與物體表面充分接觸，從而幫助壁虎在潮濕的表面上保持抓力。此外，剛毛和鏟狀匙突由角蛋白構(gòu)成，類似于人類頭發(fā)和指甲中的蛋白質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，角蛋白纖維的排列方向與剛毛方向一致，這或許增強了剛毛的抗磨損能力。

壁虎腳上鏟狀匙突的結(jié)構(gòu)示意圖。綠色的片狀物代表角蛋白，灰色的曲線代表脂質(zhì)分子。圖片基于 NIST 同步加速器顯微鏡的數(shù)據(jù)。（圖片來源：MarianneMeijer/Kerncraft Art & Graphics）

很多過去的發(fā)明都受到了壁虎腳的啟發(fā)，如前文所提到的干式粘合劑、附有人造剛毛的黏力攀爬機器人等。杰伊等科學(xué)家認(rèn)為他們最近的研究可以應(yīng)用于新的產(chǎn)品設(shè)計，例如可以粘在潮濕表面的 " 壁虎靴 "，或者能幫助抓握潮濕工具的 " 壁虎手套 " 等。

" 壁虎腳的系統(tǒng)最震撼我的地方就是從宏觀到微觀，甚至是在分子層面上，所有方面都得到了完美的優(yōu)化，" 論文的作者之一，來自德國基爾大學(xué)（Kiel University）的生物學(xué)家斯坦尼斯拉夫 · 戈爾（Stanislav Gorb）說，" 這或許可以幫助仿生學(xué)工程師找到下一步的方向 "。