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獨步江湖的壁虎功

97/03/05 33717

沈瑞文｜高雄應用科技大學機械工程學系

張國明｜高雄應用科技大學機械工程學系

朱祖德｜英國牛津大學材料科學系

仿生與壁虎

上一世紀以來由於顯微鏡學的突破，人類開始能在微觀的尺度下進行觀察、操控並製作奈米級的元件，奈米科技已成為科技發展的新寵兒。繼之而起的新研究領域，無疑是有關仿生學這門既悠遠又新潮的學問，因為科學家相信，只要人們善於觀察，都能在形形色色的世界中得到各種物外之趣。

生活中經常能不經意地看見壁虎倏然在牆上奔馳而過，有時又看到牠呆立在天花板上作沉思狀，就算天花板光滑如玻璃，也難不倒這武林高手，地心引力對牠好像沒什麼影響。數千年前人類就已經見識到壁虎這種超能力，亞里斯多德（Aristotle, B.C. 384−322）曾在《動物自然科學史》第 9 章中記錄他眼中的壁虎：「即使頭下腳上，壁虎也能夠繞著樹幹跑來跑去。」我們不禁要問，究竟壁虎是怎麼辦到的？為什麼我們沒有相同的能力？

壁虎腳下的玄機激起不少科學家的興趣，有人想到觀察壁虎腳底的構造或許可以得到一些線索，因此在掃描式穿隧電子顯微鏡與半導體製程技術的幫助下，科學家開始嘗試對這個現象進行了解，希望能解開壁虎在天花板上趴趴走的玄機，並尋求應用的可能。

透視壁虎掌中乾坤

大守宮是亞洲體型最大的壁虎，體長可達 30 到 40 公分，重達 200 至 300 克，是科學家最常觀察的對象。以肉眼就能看出在牠柔軟的黏著足墊上清楚呈現著一條條弧狀、如波紋漣漪般的脊狀皮瓣皺褶，長度約 1 至 2 毫米。1965 年加州大學的芮巴爾與恩斯特靠著掃描式電子顯微鏡的幫助，也見到壁虎皮瓣上這些錯綜複雜的結構。從此，才逐漸揭開壁虎掌中不為人知的玄機。

科學家還發現：壁虎皮瓣的皺褶上均勻披覆著如毛髮般的剛毛陣列，每根剛毛的長度約 30 至 130 微米，直徑則是數微米，約為人類頭髮直徑的十分之一，且其主要成分是天然的 β 角質素。值得一提的是，每根剛毛末端具有如樹枝般的分支，分叉出總數量介於 100 至 1,000 根、直徑 0.1 至 0.2 微米，稱為匙突（spatulae）的末端元件，整體看起來有如花椰菜。而且匙突底部的肉柄與剛毛連接，頂端狀似扁平三角形，寬度約 200 奈米，厚度約 0.01 微米，看起來就像一把湯匙。

理論上，兩個表面之間若能彼此緊緊連接，應該就能黏著。美國奧勒岡州路易斯克拉克學院生物系的奧特姆教授及其研究同僚，曾經在 2000 年透過實驗提出壁虎功是源自於分子間作用力的間接證據。2002 年他們又進一步提出直接證據，證明壁虎黏著的方法是仰賴微弱的凡得瓦爾力。也就是說：壁虎大俠是靠著無數個扁平匙部，與物體形成近似點狀的接觸，而這就是其能無視地心引力，在天花板上健步如飛的奧祕。從此壁虎黏著的真相逐漸揭露解密。

壁虎腳藉由足墊、脊狀皮瓣、剛毛及匙突的多重層次結構，能輕易地與各種表面達到近乎完美的貼合，無論多粗糙或平滑的表面，在微觀下看，壁虎都能與它形成絕佳的接觸。其實層次化結構的功能好比牙刷的刷毛一樣，能深入口中每個齒縫，非但柔軟、堅韌，更饒富彈性！

除了奧特姆教授之外，德國馬克斯普朗克研究院金屬研究所的胡貝爾博士，以及新加坡生物工程與奈米科技學院的諾依齊博士，也曾針對壁虎黏著的成因做更深入的探討。胡貝爾博士在 2005 年突破奧特姆教授使用的微機電技術，改利用原子力顯微鏡觀察並藉著分析作用力與距離之間的關係，計算出單獨匙突的黏附力。整體而言，其結果與單獨剛毛具備的黏附力大小吻合。諾依齊博士則是與研究同僚利用原子力顯微鏡，在水中及不同濕度條件下，對單獨匙突做黏附力測試。

兩個鄰近表面之間作用力的組成十分複雜，包含有凡得瓦爾力、偶極力、毛細力等，若要區分出個別力量的作用，其實是一種很大的挑戰。過去一百年來科學家對壁虎黏著能力的猜測，從黏液、真空到靜電力等，近幾年終於得到證實，研究結果顯示壁虎黏著的終極利器，事實上是來自於分子間微弱的凡得瓦爾作用力。從此之後壁虎效應開始蔓延，並在科技世界中逐漸開出應用的花朵

聚沙成塔的力量

我們都知道獵豹是生物界中速度最快的閃電俠，急速奔馳的速度可高達每小時 100 公里以上；螞蟻則是生物界中的大力士，個頭雖然矮小，卻能搬運超過自己體重數倍的食物。那麼壁虎神奇的黏力可以強到什麼樣的地步？這是個很有趣的問題。

由顯微鏡的觀察可以發現壁虎的脊狀肉瓣上覆滿密密麻麻的剛毛，每一剛毛又可細分成數百個的匙突。由奧特姆教授及眾多學者針對單一剛毛所做的黏著測試，估計出力量大小約為 200 × 10⁻⁶ 牛頓，這個數值或許你沒什麼感覺，但這可是代表著一個很驚人的力量。

根據科學家計算，大守宮腳上每平方公釐的面積，剛毛的數量高達一萬多根，如果單根剛毛的力量是 200 × 10⁻⁶ 牛頓，那麼每平方公釐的黏附力量則約為 2 ~ 3 牛頓。一隻大守宮身上約有六百多萬根剛毛，可產生高達 1,300 牛頓的黏附力，換句話說，大概是 133 公斤！因此若壁虎卯起全力，理論上可以掛住兩個普通成年人，這可是一股不可思議的力量。

小兵立大功

奧特姆教授在測量剛毛黏附力的過程中發現，當剛毛與表面接觸時，只要預先施加一道約 15 μN（10⁻⁶ 牛頓）的垂直預加力量，再使剛毛沿著表面做 5 微米左右的滑行，剛毛會產生一股高達 200 μN 的剪切力量，遠勝於原先施力的 12 倍以上。並且在滑行期間並不需要維持原先預加的力量，剛毛依然可以保持黏著。

奧特姆教授推測，微小的預加力量能讓壁虎腳底末端的匙突與表面產生更大的接觸面積，提高匙突與表面接觸的數量，對壁虎腳上擁有的層次化結構會產生莫大的幫助。奧特姆教授測量到的壁虎黏附力量，遠勝於以往專家學者在動物黏著能力上的推測，其差距甚至超過 32 倍，若單純就匙突與材料表面之間的摩擦力來做比較，大約是摩擦力的 100 倍。因此透過微小眾多的小剛毛，壁虎能夠聚沙成塔、積少成多，成就了不可忽視的龐大黏附力。

聰明的解套藝術

壁虎腳底的吸力如此強勁，甚至比膠帶還黏，牠又是如何輕易地從表面上離開？一般膠帶做不到的事，壁虎卻能輕易做到，實在讓人不可思議！關於這一點，奧特姆教授提出了他的見解。

奧特姆教授發現剛毛在分離過程中的角度定向十分重要，唯有在某個臨界角度下，剛毛才能輕易地離開表面，這就好像從桌上拉起膠帶也需要一定的角度。奧特姆教授反覆進行測試，得到臨界角大約是 30 度左右，但除了角度之外，奧特姆教授認為匙突的幾何因素也會造成影響。整體來看，剛毛的角度定向與匙突的幾何外形都是幫助壁虎離開接觸表面的主要原因。

殺雞焉用牛刀

大守宮理論上能夠產生超過 100 公斤的黏附力，但壁虎本身重量僅僅 50 公克，如此算來大守宮身上的剛毛充其量也才發揮約 0.05％的功效。如此大的落差不禁讓人懷疑這莫非是大自然的「過度設計」？但事實上不然。

某一次生物學家皮安卡與同事正在亞馬遜河流域從事研究工作，偶然間他們看見了一個相當有趣的現象：一隻壁虎從約 30 米高的樹上跳躍而出，朝地面筆直降落，在地面上的研究生密特見狀準備在壁虎落下時一把抓住牠，但說時遲、那時快，就在離地約 7 米左右，墜落中的壁虎突然朝鄰近的樹葉伸出一隻腳，接著緊緊黏住樹葉，隨後迅速地爬進樹叢中失去蹤影。

這段小插曲暗示著，或許壁虎的剛毛在平常並未完全發揮功能，但腳上複雜的結構絕非大自然的「過度設計」，或許是為了要在激烈的競爭環境中求生存，壁虎才會演化出如此精緻的結構，並得以繁衍不息。

黏而不膩的壁虎功

壁虎在日常生活中難免會經過滿布灰塵的地帶，沾染灰塵沙粒，神奇的是壁虎的吸力不但依舊強勁，還能「百花叢中過，片葉不沾身」，「動一動雙腳，不帶走一顆沙粒」。傳統膠帶一旦受到污染，黏性就會失去，壁虎卻不會，人類若想學習壁虎黏著的能力，這可說是解開壁虎之謎的最後一把鑰匙。

奧特姆教授在 2002 年使用表面極度光滑的矽晶圓，對壁虎黏著做直接測試。發覺壁虎腳的表面擁有類似蓮花效應的超高疏水性，還因此修正了以往認為壁虎的黏附是毛細作用的假設。

不過讓人始終不明白是，剛毛表面是如何產生自我清潔的能力？是否與蓮花效應相同？看來並非如此，因為蓮葉表面與壁虎腳雖然同樣都有超高的疏水性，但蓮葉表面卻沒有壁虎的黏著特性。

有人認為壁虎會像某些昆蟲花上許多時間清潔自己的腳，但我們在壁虎身上看不到這樣的行為。又有人說，壁虎也許是靠脫皮才重獲乾淨與充滿黏附力的結構，這聽起來似乎有道理，但壁虎脫皮的周期長達1個月，這答案顯然也不能令人滿意。

自潔效應的祕密

為了解開灰塵投向接觸表面懷抱而不願留在剛毛上的原因，奧特姆教授與漢生經由使用平均半徑 2.5 微米的陶瓷微球粒做為灰塵的實驗，從交互作用能量的觀點切入，提出一套詮釋壁虎自我清潔的理論。

理論上，兩物體接觸時會具備固定的黏著能量，相同情形當然也會出現在灰塵與表面及灰塵與剛毛上的匙突之間。不同的是，後者的黏著能量遠比前者來得小，因此在大多數狀況下，灰塵都會選擇停留在接觸表面上。

如果想讓灰塵留在剛毛的匙突表面，至少得有 26 個匙突同時抓住灰塵才做得到，但這樣的情形對極微小的灰塵及運動中的壁虎來說應是絕無僅有的事。

殊途同歸之道

有趣的現象還不只這些，生物界中除了壁虎能夠在牆上作威作福外，其他的生物也不遑多讓，最著名的就是經常在牆角安靜結網的蜘蛛，蜘蛛能爬上牆角的原因同樣令人感到困惑。說起來生物界中類似的現象太多了，科學家於是拿壁虎與其他具備相同能力的生物做比較，希望能發掘更多的奧祕。除蜘蛛之外，蒼蠅、螞蟻及一些並非仰賴黏液與利爪的昆蟲，都成為科學家研究的對象。

亞斯特博士發現不同身體質量的動物，像蒼蠅、蜘蛛和壁虎都是透過相似的構造與原理產生極有效率的黏附行為，且都可以在垂直牆面與天花板上行走，這樣的現象廣泛存在於生物界的黏著系統之中。

科學家透過比較後終於歸納出一條不同生物體之間近乎線性的趨勢，說明了在相同支系中，當接觸半徑不變的情形下，越重的生物會透過提高剛毛的密度提升黏著效率。但對不同支系的生物而言，體型笨重的生物比起輕盈的生物較可能演化出末端半徑更為精緻且細微的外形結構。以生物界廣泛且多樣的黏著行為來看，壁虎是運用分子間作用力的生物裡演化得最為優異的一族。

基於尺度規則，重量是三次方疊乘，比起面積的二次方疊乘，帶來的影響更為明顯與迅速，因此可以明白壁虎因為本身的體積與質量較大，才不得不提高剛毛密度做為補償。

壁虎是體型最龐大且笨重的一種，必須藉著比微米更小的尺度來確保本身的黏附力，才會演化出奈米尺度的接觸模式，形成優越的點接觸來增進黏著效果。反觀蒼蠅等重量較輕的生物，單位面積上的剛毛數量僅一百多根，構造上也比壁虎剛毛上的匙突粗糙，數量也少。壁虎的匙突能產生約 0.3 微米的接觸半徑，蒼蠅則是 1.6 微米，顯然這之中隱含著上帝的巧思。

踏上夢想的旅途

電影《侏儸紀公園》中的經典名言：「生命自己會找到出路。」在「壁虎的黏附能力」議題下，這句名言似乎做了最佳的註解。這充滿韌性的演進與轉變，不禁讓人對於大自然演化的鬼斧神工深深發出由衷的讚嘆！

人因夢想而偉大，人類向來渴望擁有操控黏著的能力。由於半導體製程與奈米技術的日漸成熟，透過人為的方法與對自然更多的了解，在學習寓於模仿下，有朝一日人類勢必能創造出如壁虎般的結構，從而完成美夢。

深度閱讀

佛布茲（Peter Forbes）著（民96）學蜘蛛人趴趴走–受大自然啟發的仿生科技（張雨青譯），遠流出版社，臺北。

資料來源

《科學發展》2008年3月，423期，54 ~ 61頁

凡得瓦力(9) 黏著力(4)

獨步江湖的壁虎功

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