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壁虎!壁虎的"超能力":藏在脚下的奥秘

相信你很关注壁虎相关问题真相,小编整理了关于壁虎的"超能力":藏在脚下的奥秘 事件的资料和图片以及视频供你参考阅读,供你揭开壁虎有毒吗相关之谜。

壁虎漫步 视频 : 巨型蚂蚁 1、★科学家破解壁虎脚强黏合力奥秘 推出人工壁虎皮肤 2、★七大形似恶魔的生物:叶尾壁虎微笑诡异 3、★2.3米壁虎:15米长巨蟹后再出超级巨型动物

导 读:世界上许多生物在自然界"适者生存"及长期演化中练就了一身特殊的本领,例如,壁虎、蜘蛛、蚂蚁等,它们不仅能在垂直墙壁上运动自如,而且能在天花板上停留和爬行,地球引力对它们似乎没什么影响.多少年来,人们对生物这种飞檐走壁的能力一直众说纷纭,尤其是体重较大的壁虎.数千年前人类就已经注意到壁虎这种超能力,亚里士多德(Aristotle, B. C. 384-322)曾在《动物自然科学史》中记载:"壁虎即使头部向下也能在树上自由上下爬行".我们不禁要问:是什么使壁虎拥有如此超强黏附力?人类为什么没有这种超能力?其实,早在2002年,好莱坞大片《蜘蛛侠》中男主角那身飞檐走壁的本领就形象描述了人类对这种超能力的向往.

 壁虎

  不同种类壁虎的脚掌结构

 

蜘蛛侠剧照

  长期以来,壁虎脚下的奥秘引起了科学家们浓厚的兴趣,国内外很多科技工作者一直致力于研究和仿生壁虎这种飞檐走壁的能力,并试图从各个方面,利用各种手段,揭示隐藏在其脚下的黏附机理,并探索该机理为人类所用的途径 .近年来,随着实验设备的发展和实验技术的进步,人们能够清楚地观察到微米甚至纳米结构的图像,对壁虎黏附机理的研究才取得了重大进展.

  1、 壁虎脚掌黏附系统结构

  壁虎种类虽然多种多样,但其脚掌黏附系统的结构在微观上却是惊人的相似,从图2所示的不同种类壁虎的脚掌结构是不难得出这个结论的.让我们以大守宫为例来说明壁虎脚掌结构的特点.它是亚洲体型最大的壁虎,体长可达30至40厘米,重达200至300克,是科学家常用来研究的对象.我们用肉眼就能观察到它柔软的足垫上呈现出一条条弧状褶皱,长度约为1-2毫米.上世纪60年代,随着扫描电镜的出现,壁虎脚掌上错综复杂的黏附系统结构才得以揭示.研究表明,壁虎的黏附系统是一种多分级、多纤维状表面的结构,壁虎的每个脚趾生有数百万根细小刚毛,每根刚毛的长度约为30-130微米,直径为数微米,约为人类头发直径的十分之一.刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛(100-1000根),每根绒毛长度及宽度方向的尺寸约为200纳米,厚度约为5纳米,如图3所示.

  不同种类壁虎的脚掌结构

  2、壁虎脚掌的黏附机理

  从力学角度来看,当两个固体表面相互靠近时,其间的相互作用力十分复杂,其中包括范德华力、静电力、偶极力、毛细力等.若要分别区分出各种力的作用机制,是一项十分复杂的而艰巨的任务,有很大的挑战性.过去一百年来,人们对壁虎的黏附能力提出了种种猜测,从黏液、真空吸附到静电力等,但它们都被一一否定了.直到最近十余年,壁虎黏附的奥秘终于得以揭示:2000年,美国路易斯克拉克学院Autumn教授及同事通过实验证实壁虎超强黏附力源于脚掌上大量刚毛与物体表面的分子间作用力,即范德华力.范德华力是中性分子彼此距离非常近时,产生的一种微弱电磁力,大量范德华力的叠加就足以支撑壁虎的体重.壁虎这种特殊的多分级黏附系统结构,特别是其最小黏附单元达到纳米量级,保证脚掌能轻易地与各种表面达到近乎完美的结合.无论多粗糙的表面,由于壁虎最小黏附单元非常精细,微观上都接近理想光滑结构,因此两者能形成理想接触,进而保证大量范德华力的叠加产生超强黏附力.根据Autumn教授最早实验测量得到的壁虎单根刚毛最大黏附力约为200微牛,根据计算,壁虎每平方厘米面积上的刚毛数量可达一万多根,一只大守宫壁虎脚掌上刚毛数量约为600万根,因此可产生高达1300牛顿(133公斤)的黏附力,理论上可承担两个普通成年人的重量.这简直是一股不可思议的力量啊!

壁虎

  大守宫壁虎脚掌多分级黏附系统的微观结构

  从理论上讲,壁虎脚掌能够产生超过100公斤的黏附力,但壁虎本身重量约为100克左右,如此计算壁虎脚上的刚毛充其量才发挥0.05%的功效.如此大的差距不禁让人怀疑:这莫非是大自然的过度设计?但事实上不然,生物学家皮安卡与同事在亚马逊河流区域从事研究工作时,曾偶然间看到一个相当有趣的现象:一只壁虎从约30米高的树上跳跃而起,朝地面竖直降落,就在离地面约7米左右,坠落的壁虎突然朝近邻树叶伸出一只脚,接着紧紧黏住一片树叶,然后迅速爬进密密树叶中而消失不见了.这个小插曲说明,或许壁虎的刚毛在平时并未完全发挥功能,但在某些极端条件下它们能提供必要的、足够的功能.所以,脚下复杂的结构绝非大自然的过度设计,或许就是为了在激烈的竞争环境中生存并得以繁衍不息,壁虎才演化成具备如此精致的结构.图4和图5给出的两个例子,也表明大自然对壁虎脚掌结构的设计是适度的.

  从10厘米高度降落的壁虎,在树叶表面仅滑行1.1厘米的距离,便能牢固地抓住树叶

  即使与表面接触面积减小,壁虎依然能牢牢黏附于铁丝网上

  壁虎脚掌拥有如此强劲的黏附力,甚至比胶带还黏,它又是如何轻易的从表面上脱黏的呢?用力学的术语来讲,这就是实现可逆黏附.壁虎这种特殊的可逆黏附能力,也引起了国内外科技工作者的广泛兴趣,Autumn教授的实验发现:壁虎在脱黏过程中刚毛的角度十分重要,唯有在某个临界角度下刚毛才能轻易脱黏.经过大量实验研究,人们得到该临界角约为30度左右.中国科学院力学研究所陈少华研究员对壁虎等生物的黏附机理进行了多年的理论研究.2006年,陈少华研究员与美国布朗大学高华健教授合作发现了壁虎、蚱蜢等昆虫在运动时,依靠脚部衬垫的各向异性实现黏附和脱黏的运动力学机制.他们从理论上揭示的壁虎等生物可逆黏附的宏观机制,受到了国内外学界的关注,相关结果被国际固体力学顶级期刊《力学与固体物理》接受发表.随后,陈少华研究员课题组又进一步研究了壁虎可逆黏附的微观机制,他们分别考虑壁虎最小黏附单元尺寸、基底粗糙度、环境湿度及预应力等因素对壁虎黏附行为的影响(参见图6).这些研究结果合理解释了Autumn教授等观察到的实验现象.

壁虎有毒吗:01 富兰克林和小壁虎

壁虎

  壁虎二级结构黏附模型

  壁虎宏观各向异性黏附模型

  壁虎最小黏附单元(微观)黏附模型

  壁虎二级结构黏附模型

  此外,还有一些令人们惊奇的事情.例如,壁虎在日常生活中难免要经过布满灰尘的地带,脚掌上会沾染灰尘.神奇的是,壁虎黏附力不但依然强劲,而且能够百花丛中过,片叶不沾身,动一动脚掌,不带走一颗沙粒.壁虎脚下究竟隐藏着何种玄机?它会使得壁虎能在沾满灰尘的墙壁上依然运动自如.Autumn教授通过对壁虎进行直接的实验测试,发现壁虎脚掌表面具有类似荷花效应的自清洁能力.图7所示的显微照片表明壁虎在爬行过程中清除了脚掌上的灰尘.

壁虎

   开始沾满灰尘颗粒(箭头所示)的壁虎刚毛组织(左图),壁虎爬行几步后灰尘减少很多(右图)

  所谓的荷花效应是指表面的一种超疏水性.这里,疏水性指的是一个分子(疏水物)与水互相排斥的物理性质.具体而言,它是指水分子间的相互吸引力大于水分子与物体表面间的作用力,这样水滴就会在物体表面形成一个大于半球的球缺形状,而超疏水表面上的水滴则近似球形.这就是为什么我们经常会观察到水滴可以在荷叶上来回滚动的原因.然而,荷叶表面虽然与壁虎脚掌表面同样具有超疏水能力,但荷叶表面并不具有壁虎的超强黏附力.和可逆黏附类似,这种自清洁能力是壁虎脚掌适应自然环境的又一种双重性功能.揭示壁虎这种具有自清洁能力的黏附原理,是人类仿生壁虎超强黏附能力所必须攻克的关键问题.应当指出的是,目前该方面的研究还相对较少.

  3、壁虎黏附能力的仿生研究与应用

  几十亿年的进化与适者生存的原则造就了壁虎等生物在各种表面上运动的能力,这种能力远超越了人们的能力与想象.目前,人类还不能达到这样的水平,但对壁虎等生物超强黏附能力的研究,最终目标是为人类所用.例如,我们可以仿生设计出科学家称之为壁虎带的黏合剂,用于外科手术使用的夹子和缝线、登山者使用的安全装置和医用绷带、甚至还有足球守门员使用的超强黏性手套等,还可以仿生设计出适合任意表面行走的微型爬壁机器人,可以代替人类在特殊环境中完成一些不适合人类直接完成的任务.

  英国科学家Geim等仿照壁虎脚掌刚毛的几何排列构造,以电子束与氧离子刻蚀相结合的方法在5微米厚的聚酰亚胺薄膜上制备了长约2微米、直径约0.5微米、间距1.6微米的高弹性聚酰亚胺纤维阵列.当施加一定预压力后,每平方厘米的面积可负重3牛顿.他们利用这样的仿壁虎带能支撑一个体重适当的蜘蛛侠玩具,如图8所示.这个玩具重40克,手掌覆盖有仿生制造的壁虎带,与基底接触面积能达到0.5平方厘米,可以支撑大于100克的重量.

  掌部具有仿壁虎刚毛结构的蜘蛛侠玩具吸附在天花板上,右图为掌部的仿壁虎刚毛阵列结构(放大图)

  美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年研发出一种仿壁虎机器人,称之为粘虫(Stickybot)(如图9a).和壁虎一样,该机器人具有4只黏性脚掌,每只脚具有4个脚趾,并且脚趾上覆盖着数百万根细小的人造刚毛(直径约为0.5纳米),借助这些刚毛与物体表面间的范德华力,它就能飞檐走壁.粘虫从黏附原理、运动形式及外形上都比较接近真实的壁虎.我国南京航空航天大学戴振东教授课题组经过多年的仿生研究,于2011年也成功实现了大壁虎机器人在垂直90度的平面上爬行.大壁虎机器人(如图9b所示)通体由白色铝合金组成,长150毫米(不含尾巴),重约250克,受邀参加了国家十一五重大科技成就展.

壁虎

   面积的碳纳米管集簇与基底接触能轻松吊起一本重量为1480克的书本

  近年来,科研人员试图用各种方式仿生模拟壁虎脚,但都局限在光滑物体表面,而且无法有效控制强黏附与易脱黏可逆黏附的交替过程.王中林教授领导的研究小组利用可控的碳纳米管阵列,成功研制出具有强黏附和易脱黏性能的仿生壁虎脚,使仿生壁虎脚朝着实际应用方向迈出了关键一步.正如王中林教授所说:好莱坞大片《蜘蛛侠》中飞檐走壁的绝世本领未来有望成为普通人都能掌握的基本技能.

  从壁虎黏附奥秘的探索过程中,我们可以体会到科学家是如何开展研究并使之为人类服务的.

  美国粘虫仿壁虎机器人

  中国大壁虎机器人

  美国佐治亚理工学院华人科学家王中林教授领导的研究小组利用碳纳米管阵列制成仿生壁虎脚.这里的碳纳米管由主体的竖直部分及端部的弯曲部分组成,分别用来仿生壁虎脚部刚毛和铲状绒毛.当碳纳米管阵列与基底接触时,弯曲部分与基底表面的线接触有效地增大了接触面积,类似于壁虎铲状绒毛与基底的接触.为了测量该结构黏附力,他们取4毫米x 4毫米面积的碳纳米管集簇与玻璃基底接触(参见图10所示),这个样品能牢牢吊起一本重为1480克的书本.他们的测量表明:样品切向黏附力约为90.7牛顿/厘米2,达到壁虎黏附力的10倍,而法向黏附力随着碳纳米管的长度的变化由10牛顿仅增大到20牛顿且远小于切向黏附力,并且总黏附力随着拉脱角的变化而变化.因此,在碳纳米管基础上研发出的仿生壁虎脚,既能在垂直墙壁上吸附重物,也能够从不同角度轻松取下.

小S为生子吃壁虎 女星为生儿子想出的惊天绝招 视频时长:00:47 小S为生子吃壁虎 女星为生儿子想出的惊天绝招 播放:17142次 评论:8805人

   面积的碳纳米管集簇与基底接触能轻松吊起一本重量为1480克的书本

  近年来,科研人员试图用各种方式仿生模拟壁虎脚,但都局限在光滑物体表面,而且无法有效控制强黏附与易脱黏可逆黏附的交替过程.王中林教授领导的研究小组利用可控的碳纳米管阵列,成功研制出具有强黏附和易脱黏性能的仿生壁虎脚,使仿生壁虎脚朝着实际应用方向迈出了关键一步.正如王中林教授所说:好莱坞大片《蜘蛛侠》中飞檐走壁的绝世本领未来有望成为普通人都能掌握的基本技能.

  从壁虎黏附奥秘的探索过程中,我们可以体会到科学家是如何开展研究并使之为人类服务的.

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