分子引力在仿生学中的应用

在金庸等著名武侠小说家的经典著作中，我们可以看到有关高手们飞檐走壁的描述。但他们跟壁虎比起来，简直是小巫见大巫。壁虎能在光滑的墙壁上行走自如，甚至能站在天花板上。这表明壁虎的脚底与物体表面之间必定存在很强的特殊黏着力，但这种力量究竟从何而来？

美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家罗伯特·福尔等人经过多年研究已弄清壁虎吸附墙壁和蜥蜴在侧壁上自由爬行的原理。看上去不起眼的壁虎，居然是自然界数一数二的“应用物理大师”。它脚底的力量，竟然来自分子引力。靠着这种力量，一只身长2英寸的壁虎，用它不过几平方毫米大小的脚掌，理论上能够毫不费力地提起重达40公斤的重物！

那什么是分子引力呢？分子引力也叫范德瓦尔斯力，是中性分子彼此距离非常近时产生的一种微弱电磁引力。由于这种引力过于微弱，通常没人加以注意。比如，当我们把手贴到墙上时，也会产生分子引力，但由于实际接触面积太小，可能只有数千个接触点，人的手掌不会被吸附到墙壁上。但壁虎就不一样了，如左上图所示，它的每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根直径仅0.25微米的凸出物。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。虽然每根刚毛产生的力量微不足道，但累积起来就很可观。根据计算，一根刚毛能够提起一只蚂蚁的重量，而100万根刚毛虽然占地不到一个小硬币的面积，但可以提起20公斤力的重量。如果壁虎同时使用全部刚毛，就能够支持125公斤力。科学家说，壁虎实际上只使用一个脚，就能够支持整个身体。它又是怎样自如地控制脚上的吸力呢？科学家用显微摄像机录下壁虎在玻璃上爬动的情况，发现当壁虎试图移动脚掌时，需要付出比吸住附着物时高600倍的力量，并将脚趾伸展到30度以上才能达到目的，这就如同人们扯下粘贴的胶带时所做的一样。而且，即使在真空环境下，它脚上的粘着力也不会失灵，这说明壁虎不必分泌任何物质以维持附着力，也不需要借助空气负压“吸”住物品。

由于刚毛数量众多，无数个微小引力凝聚成一股巨大吸力，使壁虎能够轻而易举地吸附在物体表面。正是这一“刚毛吸附原理”带给科学家研制爬行手套、爬行鞋、“壁虎机器人”的灵感。

意大利都灵理工大学教授尼古拉·普尼奥也计划通过效仿壁虎的吸附原理，利用约10年时间，研制出能让人“飞檐走壁”的“蜘蛛服”。

美国斯坦福大学教授马克·库特科斯基的研究小组已研制出被称为“粘虫”（Stickybot）的“壁虎机器人”，如右图所示。“粘虫”足底长着人造毛（由人造橡胶制成）。这些微小的聚合体毛垫能确保足底和墙壁接触面积大，进而使范德瓦尔斯粘性达到最大化。

经过多年努力，我国南京航空航天大学也成功研发出了能代替人来执行探测，拍摄等任务的仿生“壁虎机器人”，如左下图所示。仿生“壁虎机器人”将来的推广范围非常广泛。例如，仿生壁虎机器人在地震搜救过程中能发挥巨大作用，“像一些地震救援队无法找到的领域，仿壁虎机器人凭借着小巧的优势就能轻易找到，并且及时通报给救援队废墟下有没有被压埋的人。”