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向壁虎學習——乾式黏附物的發明

99/04/06 瀏覽次數 35653
壁虎。(圖/Faris Mohammed,Unsplash)壁虎。(圖/Faris Mohammed,Unsplash)
 
乾式黏附物又稱壁虎帶,是一個新的科技產物,可取代膠帶、黏紙、維爾克(Velcro)等,它是由上億的微細管組合成的。

乾式黏附物的發明專利,是歐騰(Kellar Autumn)、傳爾(Robert Full)與斐臨(Ronald Fearing)3 人於 2004 年 5 月提出申請的。這 3 位都是美國加州大學柏克萊校區的研究團隊,專門研究蜥蜴的生態、基因與行為。歐騰在加州大學柏克萊校區拿到博士學位,他的指導教授就是傳爾,論文是研究壁虎的生態。歐騰現在是美國俄勒岡路易士及克拉克(Lewis & Clark)學院生物系的教授。

壁虎腳趾的秘密

幾年前,歐騰到夏威夷度假,有天晚上在房間躺著時,看到天花板上有一隻可怕的大蜘蛛,但一會兒一隻壁虎過來把大蜘蛛吃掉了。根據歐騰的研究,壁虎有特殊的聽覺,可以察覺十幾尺外的蜘蛛行動。壁虎屬於蜥蜴類,歐騰的實驗室就收集了世界各地的壁虎,有一年他還專程去西藏收集壁虎,但卻是第一次看到在天花板上爬動的壁虎。他立即的疑問是,壁虎為什麼能在天花板上倒置行走自如?難道牠的腳趾有什麼黏附物嗎?

度假回來後,他就用電子顯微鏡觀察壁虎的腳趾結構。歐騰發現壁虎的一個腳趾底有大約 50,000 個鬃毛,鬃毛是角質蛋白,每個鬃毛的尾端又有 100 ~ 1,000 團的小毛線。這些分裂開來的小毛線尖端呈湯匙形狀,就像我們的頭髮尾巴長了許多花菜,因此壁虎的一隻腳趾就有將近 10 億個的小毛線,難怪能附著在天花板上。
 
壁虎腳趾的微米(micrometer)結構(圖/Wikipedia)壁虎腳趾的微米(micrometer)結構(圖/Wikipedia)
 
歐騰又試著把死掉壁虎的腳趾壓在懸空的平板上,那壁虎仍然緊密附著在板上,即使過了一整天也不會掉下來。他很肯定地認為,壁虎能倒置行走在天花板上並不是練有「氣功」或靠肌肉的力量,而是靠著牠的特殊腳趾結構。另一耐人尋味的疑點是,壁虎走過的平板並沒有留下任何痕跡,不像常用的膠帶、黏紙,撕開時常會留下殘渣。

於是歐騰及傳爾的研究團隊就開始探討它的物理與機械性質,也開始做一些材料實驗,他們發現壁虎的黏附力是一種凡得瓦爾(Van Der Waals,簡稱為 VDW,)力。通常當 2 個分子相距 2 奈米(10−9 m)時,凡得瓦爾力才會顯著,而壁虎的腳趾有將近 10 億支的微小特殊細毛,有些細毛很靠近平面,使得每平方公分產生了 10 牛頓的凡得瓦力,這就是黏著力的由來。

這時候,團隊的另一位研究員—斐臨,就利用他的機械專長去模擬製造出乾式黏附物。斐臨是柏克萊機械系的教授,專門研究小型機械(約 1 ~ 10 毫米)的功能。他開始用人造纖維來模擬壁虎的腳趾,當這些合成纖維的尺寸接近壁虎的腳趾細毛時,就開始有吸附的力量,但仍比不上壁虎的完美。無論如何,有了初步的實驗結果,就可以進一步精益求精了。

最新的壁虎研究

近年來科學家用各種不同材料來模擬壁虎的腳黏性,他們發現各種材料的應用價值各異,以下介紹 2008 年 3 個具突破成果的例子。

在《科學》期刊上有篇報導,研究人員用特殊碳奈米管模仿壁虎腳黏性,他們發現它的黏著力遠勝壁虎。這種新黏附劑的效力是壁虎的 10 倍,大約每平方公分是 100 牛頓,也比先前仿壁虎腳的黏附劑高出 3 倍。而且碳奈米管的尾巴具有捲曲並帶彈性的細毛,使得它的切面黏著力比正面黏著力大很多倍,因此黏附劑可以很容易地由正面拉開。這一特性在不同的平面物質上所呈現的結果都類似。
 
碳奈米管的尾巴具有捲曲並帶彈性的細毛,使得它的切面黏著力比正面黏著力大很多倍,因此黏附劑可以很容易地由正面拉開。(圖/Science)碳奈米管的尾巴具有捲曲並帶彈性的細毛,使得它的切面黏著力比正面黏著力大很多倍,因此黏附劑可以很容易地由正面拉開。(圖/Science)
 
加州斐臨的研究室也在 Langmuir 期刊上,發表了以新材料模擬壁虎腳黏性的測試結果。他們使用單層 25 微米厚的聚丙烯片,上面平均每平方公分有四千多萬支半徑約 300 奈米,長約 18 微米的細管。在探索許多機動力學的測量結果後,他們發現這些聚合丙烯細管都有很高的黏著力。即便如此,如果拉開來後會留下痕跡,這黏附劑的多次使用率就會降低。他們發現如果在細管中摻雜微球物,就可以提高接觸表面乾淨未留痕跡的機率。
 
在細管中摻雜微球物,可以提高接觸表面乾淨未留痕跡的機率。(圖/Langmuir)在細管中摻雜微球物,可以提高接觸表面乾淨未留痕跡的機率。(圖/Langmuir)
 
此外,哈佛大學醫學院的卡撲(J.M. Karp)和麻省理工學院的蘭勾(R.S. Langer)最近也在《美國國家科學院彙刊》(PNAS)上報導,他們利用可自然分解及生物相容的聚合物來模擬壁虎的腳黏性,主要目的是要應用在醫療方面,尤其是密封動手術後或受傷的傷口,因此這黏附劑必須不透水。他們使用的材料是 poly(glycerol sebacate acrylate)elastomer,外殼鍍上一層氧化葡聚糖以加強附著到組織上的力量。他們把這黏附物黏在小鼠的傷口上,結果沒有呈現任何排斥現象。

「仿生」讓生活更便利
 
雖然壁虎帶目前還不是很普遍,但它的用途預期會相當廣,如微型機械的連接或夾具、精緻的醫療修復、可黏附山壁(爬山用)的強力手套等。
 
可自然分解及生物相容的壁虎帶(圖/PNAS)可自然分解及生物相容的壁虎帶(圖/PNAS)
 
自從歐騰到夏威夷度假,因好奇於壁虎腳的神奇黏性,經過不斷的探索而揭開了壁虎腳上功夫的奧祕,原來壁虎腳趾上具有彈性的微小細毛,他們接著就模仿壁虎腳細毛的結構而實際應用。許多研究室,包括空軍研究單位,也接力參與了這項研究。他們以蜘蛛絲的特性(抗張強度可與鋼絲比美)為探討主題,企圖複製大自然界類似「蜘蛛人」般的能力,即同時發揮壁虎帶的黏附力及蜘蛛絲的抗張強度兩項功能。

其實大自然的動物與植物在幾萬年的演進過程中,為了生存發展出各式奇妙的能力,如魔鬼粘(維爾克)的發明是梅斯倬從芒刺小針的小鉤子結構聯想出來的。許多大學及研究機構也注意到這一點,並開始向自然界學習,這個領域叫做仿生學,或叫 Bio-inspiration。從自然界的生態,推廣出許多假設與理論,再用實驗去證明,而對應了實際生活的「需要」。

這是個跨領域的門路,連貫了生物、化學、物理、材料、工程等專業,必須有多方面的專業人員參與才能有成。另外,發明者平時就得有準備的心及一些專業知識,一碰到機會才有聯想的能力,把「無」化為「有」,創造出新的產品造福人類。
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