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像吸壁壁虎一样,树蛙也能够做出违反重力的足部壮举。但新的研究表明,这两种物种以明显不同的方式附着在表面上。
壁虎的“干”抓握依赖于分子键——牢固但易于断裂——存在于动物脚趾垫中的微小纤维与它们所站立的表面之间。但科学家发现,青蛙使用不同的方法来抓住。
格拉斯哥大学的生物学家乔恩·巴恩斯领导了这项研究,他使用了一台原子力显微镜 (AFM),它可以提供十亿分之一米尺度的图像,扫描了白氏树蛙的脚。在肉眼看来,青蛙的脚趾垫呈现出扁平顶部的六边形细胞,周围环绕着充满粘液的凹槽。然而,在更仔细的检查中,巴恩斯发现顶部根本不是扁平的,而是覆盖着紧密排列的“纳米柱”,每个纳米柱末端都有一个小凹坑,这会在它们接触的表面产生强大的摩擦力。
巴恩斯说:“原子力显微镜也可以用来测量脚外层的刚度,他在《实验生物学杂志》上发表了这项发现。“结果表明,它的硬度与硅橡胶的硬度处于同一数量级。柔软的材料很重要,因为它们使垫子能够实现紧密接触,从而贴合青蛙附着的表面的轮廓。”
虽然粘液可能是一种润滑剂,但对于树蛙来说,这种物质——仅比纯水粘稠(抗流动性)1.5 倍——充当“湿”粘合剂。原因在于:脚趾垫上的纳米柱和较大的结构与表面直接接触。因此,这些突起之间少量的湿粘液提供了粘合力。
树蛙可以轻松地攀爬大多数表面,从光滑的叶子到玻璃,尽管它们在干燥、粗糙的材料上表现不佳——巴恩斯说,这可能是因为它们无法产生足够的粘液,在这样的表面上在它们的垫子下方形成连续的液体层。“支持这一观点的证据是,如果粗糙的表面是湿的,附着力会显著提高,”他指出。
英国剑桥大学研究粘附力的动物学家沃尔特·费德勒说,这项研究揭示了青蛙脚趾在微观层面的材料特性,并阐明了纳米柱在“粘附中起着重要作用”。但他指出,这些微小柱的确切功能仍不清楚。
对壁虎和树蛙的研究都让材料科学家对人类应用的智能粘合剂产生了幻想。例如,2008 年 3 月号的《皇家学会界面杂志》上的一篇论文估计,配备一块适度的合成壁虎抓地力的汽车刹车可以在大约 16 英尺(5 米)内停下一辆以 50 英里(80 公里)/小时行驶的 2,200 磅(1,000 公斤)重的车辆。
巴恩斯和他的同事认为,了解树蛙脚的粘附特性可能有助于改进轮胎设计,甚至可能有助于设计防滑鞋,尽管他们首先需要证明,在比两栖动物的脚趾大得多的结构上,粘附力——以及同样重要的,从表面快速脱离——得以保持。巴恩斯说,这项工作的另一种可能的应用是创造一种涂层,在手术过程中通过轻轻地将神经固定在手术刀的路径之外来保护它们。