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您如何才能飞檐走壁?

已有 18015 次阅读 2009-11-6 08:51 |个人分类:侃侃科学|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 壁虎, 飞檐走壁, 胶带, 完全范德华力

在金庸先生的武侠世界中,那些能够飞檐走壁水上漂的大侠们,曾经激动过多少凡人哪。其实在现代社会中确有能飞檐走壁之人,例如这位六龄童,还有号称“飞檐走壁第一人”的葛强先生,还有正在流行的极限运动“酷跑”。
 
但这些不是我们每个人都能学会和做到的,不是吗?那么,身手平凡如你我的人如何才能飞檐走壁呢?
 
当然最简单就是向能够飞檐走壁的动物学习了。对,壁虎!壁虎能够在一块垂直竖立的抛光玻璃表面,以每秒1米的速度向上攀爬。我们就来研究一下壁虎的脚的结构,解开它走壁的秘密吧!先看一下壁虎及其脚趾的“英姿”,可见壁虎的脚上覆盖了一层非常细小的绒毛。
 
 
壁虎的脚趾的皮肤是由三个层次的组织构成的。
 
1.皮瓣——软质的脊状构造,很轻易就可以压缩在一起,因此壁虎的脚趾能贴合象树干和石头一样的不平滑表面。
 
2.刚毛——镶嵌在皮瓣里的角质素毛发(如下图a),长度约为人发直径的两倍(30μm~130μm)直径约为人发直径的1/10的卷曲细毛,以平均每平方英寸300万根的密度分布在皮瓣上。卷曲的刚毛比竖直的毛发更容易压缩,而且能塞进物体表面上极其微小的凹洞里。
 
3. 匙突——刚毛尖端是由400根到1000根细分叉匙突所组成(如下图b),长度大约200~500nm。
 
 
壁虎飞檐走壁的奥秘就是“完全的范德华力”。因此,科学家们进行了仿生探索设计:制造大量的规整微突起结构——形成壁虎的刚毛结构——有可能获得类似于刚毛的粘合力。
 
事实上,科学家仿照壁虎脚上的毛发的几何排列构造,制造了具有紧密排列的规整微突起结构,利用完全范德华力作用原理制造成了仿生干型高分子粘合材料——聚酰亚胺(PI)薄膜,其微突起电镜照片如下:
 
照片中的单个微突起直径为500nm,高2μm,以间隔1.6μm周期性排列。实验结果表明单个微突起可承重约200nN,制成PI胶带每0.5平方厘米约克负重大于100克的物体(有实验认为每平方厘米可负重300克),属于干型粘合,可反复使用,被称为“壁虎胶带”。下面这个蜘蛛人玩具高15cm、40g,在其手上覆盖了0.5平方厘米的壁虎胶带就可以在墙上自如翻飞了。
 
 
仿制壁虎的机器人,可在陡峭的墙上爬行。
 
 
200平方厘米的壁虎胶带可承重600N(60Kg),这就是一个成人的体重了,假如我们有这样一双手套或脚套的话,即使不能飞檐,至少可以走壁了,哈哈,人人都变超人了!
 
参考文献 
•  Autumn K.,et al, Nature,2000,405:681-685 
•  Autumn K.,et al, Proc.Natl.Acad.Sci.,USA, 2002, 99: 12252-12256
致谢:文中部分内容来自于都有为院士的报告,特表谢意!


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