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學壁虎趴趴走

若有一天人類能像壁虎一樣運用黏著能力,生活在垂直甚至倒懸的世界中,那該多妙。壁虎效應帶來的,可以飛簷走壁的未來值得期待。
 
 
 
壁虎創意

壁虎效應的功用,只要發揮一點點的想像力,就能產生無限的創意,像是抓地輪胎、攀岩手套、大樓清潔員的防護設施、隨處可黏的背袋、不需鈕扣的外衣、太空站的維護等,都很吸引人。

由於奧特姆教授與眾多學者在基礎科學上的不斷努力,壁虎神功的奧祕逐漸明朗,人類盼望已久的「黏著之夢」因此展露出一絲希望。從 2000 年起,奧特姆教授的研究團隊便開始致力於壁虎效應的應用,希望能找出經濟實惠的方法複製神奇的「壁虎貼布」。

團隊成員包括美國加州大學聖塔芭芭拉分校知名的化學家伊色拉戚維里(Jacob Israelachvili)教授、卡內基梅隆大學機械工程學系梅汀.斯提(Metin Sitti)助理教授、加州大學柏克萊分校電機與電腦科學系菲爾林教授等人,他們首先對壁虎的黏著力做精密的理論計算,再以奈米壓印技術(nano-imprinting lithography, NIL),把掃描式穿隧電子顯微鏡的探針壓印在蠟模上,複製出直徑約 10 微米、高度 20 微米的錐體,整體看起來就好像散布在膠帶上的顆粒。

這樣的結構與壁虎剛毛相比雖然顯得簡單,卻能夠產生 200 × 10-9 牛頓左右的黏附力,只不過比起壁虎腳上層次狀的結構來,仍然無法與表面緊密有效地接觸。後來斯提博士與莫菲(Michael P. Murphy)博士進一步改善製程,製造出直徑 4 微米的規則陣列結構,使得人造剛毛不僅分布更均勻,密度也更高,黏著效果因此大幅提升,但因材料性質的限制,在重複使用上仍有困難。

自我組裝技術

奧特姆教授的研究團隊曾參與美國國家科學基金會贊助的研究計畫,過程中斯提博士提出一套由小到大的成形技術,期望有朝一日能透過分子自我組合的方式達成目標,這就是奈米自組裝技術。

通常分子在特定條件下為了確保最穩定的狀態,會自行相互結合,有別於以往由大到小的製造概念,這方法透過精微的參數控制,不僅可製造出極高「高寬比」且具有耐久性與疏水性的人造剛毛,或許還能有效降低成本並增進生產速率,大量運用在生產製造上。

動人的壁虎貼布

2003 年,來自英國曼徹斯特大學物理暨天文系的傑姆(Andre Geim)教授帶來了新的突破。他首先針對材料特性挑選出性質良好的聚亞醯胺(polyimide),再以成本昂貴的電子束微影製程與乾蝕刻技術,成功製造出規則排列的剛毛陣列,實現令人眼睛為之一亮的壁虎貼布。

只是礙於製造成本,傑姆教授的貼布僅有 0.5 平方公分大小,但所能提供的黏附力,卻可把 15 公分高、40 公克重的蜘蛛人玩偶吊在天花板上。

這樣的壁虎貼布缺點還是很多,除了製造成本特高之外,重複使用性與耐久性依然是棘手的問題。雖然以聚合物製成的剛毛能產生不錯的效果,但在撕離時卻很容易斷裂,且會因為剛毛凝聚而塌在底部的基材平面上,使效果大打折扣。此外,人造材料的強度始終比不上壁虎的天然角質剛毛,這是目前在材料上亟待克服的難題。

奈米碳管異軍突起

由於奈米碳管兼具強度與彈性的優異性質, 2005 年美國壬色列理工學院的阿則葉(Pulickel Ajayan)教授與俄亥俄州亞克朗大學化學工程研究所的研究生貝杜爾.亞杜瑪肯(Betul Yurdumakan),為了克服先前壁虎貼布材料性質的限制,提出一套多層奈米碳管的化學氣相沉積製程,製作出孔隙度達 87% 的開放式發泡體薄膜結構。這結構由排列準直的奈米碳管陣列組成,在微觀下具有強大的黏著效果。

這個結構不僅具有壁虎乾式黏著的特性,奈米等級下的黏附力量甚至遠勝壁虎剛毛兩百倍有餘。然而以奈米碳管做為貼布材料,除了成本並不便宜外,微小碳管對人體的不良影響至今也尚無定論,且同樣有剛毛脫落與斷裂的問題。整體說來,奈米碳管在人造壁虎貼布的應用上仍有相當大的改進空間,但不失為一種可能的壁虎貼布材料。

魚與熊掌不可得兼

材料性質的改良目前仍有賴化學家的努力,而在工程技術上也面臨如何大量製造與降低成本的困境。此外,如何製造出如同壁虎腳的多層次結構,以達最佳的黏著效果,也是相當關鍵的問題。

2003 年斯提博士提出一套製作多層次結構的方法,主要藉由成熟的微機電製程與半導體製模技術,分別完成微米與奈米尺度等級的模具,再以澆鑄、凝固及脫模的方法,得到結合微米剛毛與奈米匙突的結構。按照分裂接觸的概念,這樣的結構將有效增進壁虎貼布在粗糙表面上的適應能力。

「壁虎化」設計

為了讓人造剛毛更加「壁虎化」,2005 年來自美國加州大學聖芭芭拉分校機械暨環境工程系的金柏莉.特納(Kimberly L. Turner)博士成功地運用微機電製程製造出整體化的多尺度順從結構,這是科學家首次成功利用成批生產技術大量製造。

這一方法所得到的成品是 1 平方公分的黏著板,內含 2,500 個多層次結構組成的陣列,其中每個結構的微板經微影加工都具有多樣的幾何外形,因此可獲得極佳的彎曲特性。微板上密集地覆蓋著許多準直排列的有機桿,至於底下則以高寬比極高的單晶矽圓柱做為支撐。

這種層次化結構整體看來共有 3 層:第 1 層是模仿剛毛的單晶矽圓柱,高約 50 微米、直徑由下而上遞減成 1 微米的頂針;第 2 層是模仿剛毛分叉的方型矽晶片,厚度是 2 微米,面積是 100 微米乘 150 微米;第 3 層如匙突的有機桿,約 2 微米高,直徑在 50 微米到 200 微米之間。

這種結構比起傳統單層剛毛具有較佳的黏著效果,且若增加其表面疏水特性,可進一步加強黏附力量。因此特納博士推測疏水性質或許是強化壁虎黏著能力的一項重要原因。

研發過程中最重要的莫過於突破剛毛的重複使用性。傳統單層剛毛結構隨著使用次數的增加會逐漸失去黏性,但整體性的多尺度順從結構在多次使用後,依然能保持幾乎完全相同的黏著效果。特納博士發展的製程技術,非但提高壁虎貼布量產的可能性,也為以往仿生黏著中困擾已久的重複使用問題帶來新的解決之道。

機器人未來式

具備攀附能力的機器人能完成許多傳統機器無法勝任的工作,保障工作者的人身安全,例如石油工業與核能發電廠的儲槽檢驗,高樓大廈的清潔,甚至是太空站的維護等。

基於從壁虎得來的靈感,卡內基梅隆大學機械系微型機器人實驗室的斯提博士與菲爾林教授,在 2003 年討論有關攀牆機器人的可行性,思考如何把這種既乾燥、又不受磁性與動力來源限制的黏著功能運用在機器人的發展上。

以往這類機器人大多仰賴真空或磁力,但磁效應只能在磁性金屬表面上發揮作用,真空吸力則受氣壓與表面平坦度的限制,一旦斯提博士的夢想成真,具有壁虎黏著能力的機器人就再也不需要背著泵浦,也不需擔心會在凹凸不平及非磁性的表面上摔跤了。

披荊斬棘創新機

縱然壁虎貼布尚未量產,但斯提博士與研究同仁卻早已開始設計攀牆型的機器人。2004 年斯提博士提出兩種源自壁虎創意的攀牆機器人,其中一種是左右輪各有3片黏墊的輪足型機器人,另一種則是像戰車般有黏性履帶的機器車,雖然在設計上使用的仍是傳統黏膠,但兩者都能在平滑的垂直面上行進,前者可在 110 度近乎倒懸的平面上移動,後者也能在 70 度的坡面上攀爬。

2005 年他們克服輪足型機器人轉彎上的限制,使輪足型機器人在遭遇行進過渡區域時也能穩穩地從水平面爬上垂直牆角,且在 110 度的表面上,更能以每秒 6 釐米的速度前進!不僅如此,斯提博士的團隊在詳細分析壁虎步伐與運動力學後,更研發出移動速度約每秒 1 釐米,行動模式有如壁虎般能夠順利行進、轉向,且順利地爬上 85 度過渡區的壁虎型機器人,而這兩種機器人都能透過紅外線通訊進行半自動化的操控。

目前斯提博士的團隊除了持續提升壁虎型機器人的爬行能力外,也致力於開發乾燥、重複性高,及具有自我清潔能力的壁虎貼布,藉以改良目前使用的人工黏著劑。

無論是壁虎貼布或是壁虎機器人,在不久的將來,都會出現在日常生活中,成為新興科技的焦點。

師法自然

人類對於壁虎的研究歷經了數千年,如今才有較深入的了解,而在取法自然的過程中所得到的創意與啟示,遠遠超乎人們的想像。看似平凡的花花世界裡,有誰知道還有多少意想不到的物外之趣?

縱然大自然不曾言語,卻默默地顯露著深遂的智慧。老子《道德經》有言:「人法地、地法天、天法道、道法自然。」自然界永遠是人類最好的老師,人類除了要善於觀察自然、師法自然,更應當尊重自然、保護自然,才是源遠流長的恆久之道。
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