壁虎在表面移动时如何脱离粘附?

路易斯与克拉克学院的凯勒·奥特姆研究壁虎的粘附性,并提供以下解释

壁虎的脚底有数百万个微小的毛发状结构,称为刚毛。每根刚毛的末端都有纳米结构,称为铲状体,它们充当干燥的粘合剂。去年,我的同事和我发现壁虎的粘附力是这些纳米结构的几何形状的函数,而不是它们的表面化学性质。

在静止状态下,刚毛的茎像爪子一样向近端弯曲。当壁虎的脚趾着地时,刚毛会伸展,使其尖端指向远离身体的方向。少量的重量和脚趾远离身体的微米级位移可能有助于使铲状体(之前处于各种方向)均匀地与基质齐平,从而最大限度地增加它们的接触表面积。产生粘附力,刚毛准备承受动物的全部体重,无论是爬上墙壁还是穿过天花板。


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一根刚毛可以承受 20 毫克的力,壁虎拥有的刚毛数量(大约 650 万根)理论上可以支撑 133 公斤。这种卓越的粘附能力引发了一个问题:壁虎如何将它们的脚从墙壁上移开。事实证明,将刚毛轴和基质之间的角度增加到 30 度以上会导致脱离。随着刚毛轴角度的增加,刚毛后缘的应力可能会增加,从而破坏铲状体与基质之间的结合。壁虎不寻常的脚趾剥离行为可能有助于通过一次只移除少量刚毛来减少脱离力。

读者还询问了两只壁虎的脚是否会不可逆地粘在一起。

壁虎刚毛阵列不会相互粘附。关于这个主题的研究正在进行中,所以我只能为这种“反自我”特性的潜在机制提供一个假设。为了使刚毛牢固地附着在表面上,必须同时附着大量铲状体。一个脚上的铲状体与另一个脚上的铲状体接触的概率非常低。将许多小的概率相乘,我们得出的结论是,两只脚极不可能牢固地粘在一起。

目前在曼彻斯特大学实验室开发基于壁虎粘附力的胶带的纳米技术专家科斯佳·诺沃肖洛夫提供了一些额外的细节。

壁虎爬上垂直表面是一个引人入胜的景象。但当人们开始思考这种神奇动物优雅动作背后的微观机制时,它会变得更加有趣。我们不知道壁虎确切地如何改变其脚趾和表面之间的吸引力,但最近的实验提供了一种可能的场景。

凯勒·奥特姆和他的团队表明,将壁虎脚趾从基质上脱离所需的力主要取决于刚毛和表面之间的角度。基本上,这种情况类似于将一卷胶带从桌子上撕下。如果只是垂直于表面拉动,则需要付出巨大的努力才能将一块胶带从任何表面上移除。但是,如果施加与桌面平行的适度力来剥离它,则再简单不过了。

看来壁虎在爬上垂直表面时采用了这种方法。壁虎的脚上有数十万根刚毛,每根大约五微米厚,一百微米长。每根刚毛的末端都有数百根非常细(0.2 到 0.5 微米)的带铲状尖端的触须。刚毛非常灵活,似乎壁虎可以改变它们的方向和应变。当接近表面时,动物会使刚毛变硬,并调整它们的角度,使扁平的铲状体与基质接合,从而最大限度地提高脚趾和表面之间的吸引力。为了脱离,壁虎通过改变刚毛的形状并将其剥离来增加角度。由于其灵活性和极小的尺寸,铲状体可以与表面紧密接触,在这种情况下,这种力变得非常重要。

壁虎两只脚掌之间的吸引力可能远小于脚掌与壁虎爬行的任何表面之间的吸引力,因为两组刚毛之间的有效接触面积小于刚毛与自由表面之间的有效接触面积。

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