文  张 昊

　　近代，人类多项科技成果都或多或少受到了自然界的启迪。壁虎胶带也给我们揭示出这样一个道理：自然界乃是人类无尽的知识矿藏。在任何年代，仿生科学都不乏研究对象以及成功案例，人类在自然界面前，既是万物之灵，亦是万物之子。
　　

“星期五晚的实验”的意外收获

　　安德烈·海姆教授由于发现了石墨烯这种物质而荣获了2010年度诺贝尔物理学奖。但今天要讲的不是石墨烯，而是他的另外一项广为人知的成就——壁虎胶带的发明。
　　2003年，海姆教授开始鼓励他的学生打破常规，抽出精力做一些与自己专业几乎毫无瓜葛的、充满想象力的尝试，并称其为“星期五晚的实验”。大部分此类实验都以失败告终，不过，其中的一项实验却获得了成功，壁虎胶带也随之诞生了，成果发表在了权威期刊《自然》上。
　　该研究的灵感来自于海姆教授偶然间在《自然》杂志上看到的一篇文章。这篇文章中提到，将近一个世纪以来的解剖学研究表明，壁虎具有吸附墙壁的能力与其脚掌上具有的多分级纤维状黏附系统有关。该系统是一系列横向排列的褶皱，褶皱间距可以达到毫米量级。同时，这些褶皱又由数万根微小刚毛构成，每根刚毛的长度在100微米上下，直径约为数微米。也就是说，十根这样的刚毛粘在一起，也不过一根发丝粗细。然而，更令人惊奇的是，在这样的每一根细小刚毛的顶部，还有数百根先端呈铲状的绒毛，这些细小绒毛的长度大约是200纳米，先端的铲状部位的宽度只有不到10纳米。这是什么概念呢？大名鼎鼎的大肠杆菌，其杆状部位的直径大约是500纳米。由此可见，壁虎脚掌上的方寸之间真可谓是别有洞天啊！
　　不过，海姆教授看到的这篇文章并非想要解释壁虎脚掌的解剖结构，因为早在20世纪60年代，电子显微镜就已经揭示了这一课题。这篇文章的高深之处在于作者用一套精巧设计的微机电系统，测量出了单根壁虎刚毛的受力情况，从而从理论上解开了壁虎可以粘附于墙壁上的奥秘。原来，每一根的铲状绒毛在与墙壁接触时，都会产生范德华力，这是一种分子间的电性引力，实际上是一种非常弱的相互吸附作用力。然而，这上万根刚毛加上先端数以千万计的铲状绒毛，在与墙壁表面接触时，各自范德华力的叠加就足以支撑壁虎的体重了。
　　《自然》杂志的这篇文章中测出的单根刚毛在平行于墙壁方向上的附着力达到了200微牛。在受到平行墙面的下拉力后，刚毛经过少许位移（约5微米）后，下拉力（也就是附着力）就可以上升到200微牛。
　　作者认为，在该微位移发生的过程中，更多量的铲状绒毛参与了范德华力作用下的吸附，因此附着力得到了显著提升。200微牛当然是相当微弱的力，然而，一只常见的大壁虎脚掌的刚毛密度可达50万根每平方厘米，以4个脚掌总面积1平方厘米计算，平行墙面方向产生的吸附力可达100牛顿。实际上，壁虎实际的吸附能力大约为10牛每平方厘米。也就是说，实际产生的吸附力为10牛顿，可以吊起约1千克的重量。理论值跟实际值的差异暗示，壁虎脚掌吸附墙壁时只有十分之一左右的刚毛发挥了效用。即便如此，其所能吊起的重量也达到了自身重量的10倍，相当可观。
　　

壁虎胶带的诞生

　　海姆教授在看到这篇文章之后，大受启发，类似壁虎刚毛的这种多层级微纳尺度介观结构，正是他所擅长的领域。他马上联想到是否可以制造出一种胶带，其拥有类似壁虎脚掌的刚毛绒毛系统，具有强大吸附力的同时，还可以吸脱自如。经过一段时间的艰苦实验后，他的一位研究生制备出了类似的结构——由聚酰亚胺微纤维构成的阵列。这种阵列已经具有了类似壁虎脚掌的多层级微纳尺度显微构造，并且展现出了一定的功能性。
　　虽然该原型胶带黏附力尚可，但其黏附力在几次使用后便会失效。同时，加工成本同样是一个不小的课题。要知道，海姆教授仅仅制备出了1平方厘米的样品，就用到了电子束光刻、热蒸镀、氧等离子体刻蚀等一系列先进的微加工手段。尽管如此，海姆教授的尝试还是为科学界开辟了一个全新的研究方向，壁虎胶带这一相当科幻的概念自此吸引着学术界持续的关注。
　　2008年，佐治亚理工大学王中林教授在《科学》杂志上发表了关于壁虎胶带的研究成果。这篇论文利用超高长径比的碳纳米管阵列来模拟壁虎的刚毛构造，单根碳纳米管直径约为10～15纳米，长度可达150微米，密度可达一平方厘米面积上10亿～100亿根，这个数量级已经与壁虎的铲状绒毛数量不相上下了。在垂直于墙面方向上，拉力可以达到20牛每平方厘米，平行于墙面的方向上，拉力高达100牛每平方厘米，已经达到了壁虎实际吸附能力的10倍程度。这些绒毛状的碳纳米管的主体竖直而先端易于弯曲，很好地模拟了壁虎脚掌的刚毛加绒毛结构。易于弯曲的先端类似于铲状绒毛，可以提供与附着区域更大的接触面积。这种附着力的各向异性实际上在应用方面而言是有利的。譬如，开发某种挂钩粘贴在竖直墙面上，可以承受相当高的挂载重量，同时在垂直墙面的方向又相对容易被揭起，然后实现再次利用并且墙壁无残留，这些特性正是人类开发壁虎胶带的初衷之一。
　　

壁虎胶带的广泛应用

　　目前，主流的壁虎胶带或是在海姆的有机物表面修饰工艺基础上发展而来，或是应用碳纳米管阵列的气相沉积法，两种工艺可谓是各有千秋。有机物表面修饰从制备流程上来说似乎更为复杂，但是成品不需太大的预压力（即安装时候的按压力）就可以贴合在墙面上发挥功效。不过，碳纳米管阵列可以通过气象沉积法大量合成，两种工艺目前来看还不能明辨优劣。
　　时下，关于壁虎胶带应用的探索在机器人开发的领域并不鲜见。各种爬行机器人完全模仿了壁虎的身体构造进行设计，机器人脚部附着有壁虎胶带，在静态状态下可以实现对墙壁的攀附。同时，壁虎脚掌的吸附和脱附过程也在此类机器人设计中有所体现。比如，吸附过程中，某只脚掌向墙壁施加垂直壁面方向的预压力，同时控制身体同步上移，以增加平行壁面方向的吸引力。某只脚掌脱附的过程中，在另外几只脚掌牢固吸引的前提下，如真壁虎一样向外卷曲，以垂直壁面的最小阻力方向实现脱附，进而继续攀爬，可谓是真正的“仿生”科学了。
　　也许是科技进展带去的灵感，电影中也不乏壁虎胶带的踪迹。科幻动作片《碟中谍4》中的阿汤哥，就有用壁虎手套单手挂在迪拜塔上结果险些丧命的惊悚演出。前面也提到过，实际上，大壁虎脚掌的吸附能力远远高于其自身体重（100～200克），这是否是一种进化过程中的过盈或者说是浪费呢？实则不然。生活经验以及很多动物学家的观测都告诉我们，在自然条件下，相当多的时候，壁虎可没法像潘玮柏在《壁虎漫步》这首歌里唱的那样闲庭信步。在密林中逃避天敌突然坠落时单手攀附住树叶这样的情况下，壁虎需要比四脚攀爬垂直墙面大得多的吸附力，才能保证自己安然无恙，这实际上是自身进化的一种安全冗余。比起阿汤哥的命悬一线，壁虎的身手实在不知要高到哪里去了。
　　壁虎，诞生于5000万年之前的古老物种，足迹遍布全球。从古代开始，人们对于这种小生物飞檐走壁的攀附能力就颇为着迷。关于其机理也有诸多猜测，然而直到21世纪初，人们才真正地确认了这种神奇的能力来自于亿万根细小绒毛与其黏附表面的相互吸引。海姆教授敏锐的意识到其在材料科学研究领域的潜在应用，提出了壁虎胶带的概念，开启了全新的研究领域。正如文章开头所说，自然界对人类的馈赠不仅仅来自于有形的物质，更来自于对人类思维的启迪。向自然界寻求创新的灵感，不仅集中体现了科学探索的神奇与美妙，更有望开创全新的科研领域，实现前所未有的科技壮举。