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仿生壁虎足變身太空壁虎爪

105/09/19 4169

賴婉婷｜國立臺灣博物館研究組

歐陽盛芝｜國立臺灣博物館

李冬齡｜美國馬里蘭大學植物學研究所

壁虎是小型的蜥蜴，古稱守宮，可在牆壁、天花板、甚至光滑的玻璃窗上靈活移動，即使身體與地面垂直在牆上或四足倒掛在天花板上爬行，也很少跌落下來。而在無重力的太空中想抓住旋轉或翻滾的物體難度非常高，科學家因此運用仿生壁虎足的研究成果開發出「太空壁虎爪」（gecko grippers），今（2016）年3月已由美國亞特拉斯5號（Atlas V）火箭搭載「天鵝座（Cygnus）」貨運太空船將實驗設備運抵國際太空站進行測試，以確定這種人造材料在太空中是否仍具有黏附能力，希望未來能開發出配備黏附裝備的機器人，進行收集廢棄衛星等太空垃圾、或在太空站外從事檢查和維修等工作。

這項計畫緣起於美國加州史丹佛大學馬克•克高斯基（Mark Cutkosky）教授利用壁虎足的特性所研發以矽氧橡膠（silicone rubber）製造的人造黏附裝備，他與美國國家航空暨太空總署（NASA）噴射推進實驗室（JPL）合作，在無重力的試驗環境下，已使配備小型黏附設備的機器人成功抓住並推移另一個重達400公斤的太陽能板機器人。

JPL工程師亞倫•帕內斯（Aaron Parness）又進一步利用克高斯基教授研發裝備的黏附原理和材質，2014年開發了具備150牛頓（相當於16公斤）黏附力的太空壁虎爪，並已完成微重力環境飛行試驗，成功抓住10公斤的立方體和100公斤的人，且經過超過三萬次以上的測試，證實即使在微重力環境中，人造裝備仍能維持強大的黏附力。2015年他另外研發出一種稱為「太空人的錨（astronaut anchors）」的手持式設備，設計有兩個握把，分為2.5x10、5x15及7.6x20公分三種尺寸，讓太空人推動錨上的配件貼近物體，可以將剪貼板、圖片等黏附在太空站的內牆上，也能輕鬆抓住或放開物體。太空壁虎爪也已安裝在配備有太陽能模擬裝置和散熱器儀表板的「狐猴攀爬機器人3號」（Lemur 3 climbing robot）雙腳上，目前正於微重力環境測試中。

這些太空科技應用最早源自於美國生物學家凱勒•奧騰（Kellar Autumn）長年對於大守宮（Gekko gecko，俗稱大壁虎）的研究，他於2000年時證實壁虎的黏附能力是借助於凡得瓦力（van der Waals forces），這種力量源於物體的分子間相互吸引，任何兩個物體接觸時都會存在，無論在極端溫度、壓力及放射線的條件下，都能保持極強的黏附力，並且不像黏膠會留下殘留物，也不似魔鬼粘需要配合沾附的對應表面才能運作，故極有潛力應用於太空站環境。

壁虎具有前後共四隻足，每隻足有五個足趾，足趾腹面有十幾道排列整齊的橫紋，稱為脊狀皮瓣皺摺。奧騰教授以光學顯微鏡觀察到這些橫紋上成排長著稱為剛毛（setae）的細毛，每隻足有約50萬根，每根長約30至130微米，約為人類頭髮直徑的十分之一。若使用掃瞄式電子顯微鏡，則可觀察到每根剛毛末端再分叉成數百個突匙（spatulae），為直徑0.2至0.5微米（相當於200至500奈米）的刮勺狀構造，狀似壓平的湯匙或炒菜用的鍋鏟，匙突頂端的匙突墊（spatula pad）會直接與物體表面接觸，由於匙突底部與剛毛連接，壁虎就是利用足趾腹面的這種特殊微結構將黏附力增強。

奧騰教授發現壁虎產生的黏附力能夠承載幾十公斤的重量，支撐一隻重量只有不到一百多公克的壁虎自然綽綽有餘。事實上，壁虎因為擁有百萬根以上的剛毛以及數量更多的匙突，牠們只用其中一部分就可黏附牆壁，甚至用單足就可支撐全身的重量，故可幾乎無視地心引力在天花板上自由地運動。他也發現壁虎足底能輕易脫離物體是藉由彎曲足趾從0到90度之間變化：夾角變小時，黏附力和摩擦力都會增強，可讓壁虎牢固地停留；若需要爬行時就將足趾向反方向彎曲至接近90度，便可在十幾毫秒內離開。（以上新聞編譯自2015年8月12日發行之加州理工學院NASA Jet Propulsion Laboratory News等）
（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館
審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

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