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动物世界中的物理学：壁虎爪


照片：Wikimedia

壁虎是旧世界和新世界的热带和亚热带地区的居民。这些蜥蜴生活在大洲和岛屿上，分布范围广泛。壁虎有一个特点-它们可以留在几乎任何表面上。即使一只爪子也能支撑动物的体重。表面可以是任何东西-木材，岩石甚至抛光玻璃。

壁虎能够紧紧抓住任何东西的能力受到古希腊人的重视。亚里斯多德（Aristotle）试图了解固定蜥蜴爪子的原理；中世纪的科学家对壁虎也很感兴趣。我们时代正在研究它们。有几种理论解释了这些蜥蜴在“高山运动”中的杰出能力。

手指上的吸盘。看起来很合逻辑的第一个解释之一。没错，在显微镜下研究壁虎的爪子后，结果发现手指上没有吸盘。不幸的是，如今，吸盘神话仍然存在。

静电学。另一个可能的解释是可以反驳的（尽管对此理论有一些确认，我们将在下面讨论它们），创造了条件，在这种条件下壁虎的双腿完全没有电荷。仍然将动物牢牢地固定在光滑的表面上。

在上个世纪30年代就收到了反驳。德国科学家沃尔夫-迪特里希·德利特（Wolf-Dietrich Dellit）将电离的空气流导向壁虎的腿部，壁虎的腿部固定在金属表面上。根据Dellit的说法，如果耦合机制具有电性，则电离应该中和或显着降低爪子对表面的粘附力。这没有发生，因此可以得出结论，壁虎正在使用其他东西。

加拿大科学家亚历山大·彭利迪斯（Alexander Penlidis）认为此实验是错误的。事实是壁虎的腿和表面之间的接触非常紧密，因此离子化的​​分子根本无法穿透爪子和表面的超小结构并抵消相互作用。

壁虎爪的表面凹凸不平。这种解释也不适合，因为壁虎可以在抛光玻璃的垂直表面上移动。而且，它们可以沿着相同材料的天花板移动。


照片：Wikipedia

随着电子显微镜的出现，对壁虎的爪子进行了详细研究。事实证明，它覆盖着极细的刷毛，其长度可达数百微米。爪子单位表面积的硬毛浓度非常高：每1 mm 2超过14,000根毛发。每个刷毛又不是整体结构，而是在末端分为400-1000个甚至更小的纤维。这种纤维的厚度为0.2μm。在1厘米2与表面接触约占20亿根纤维，每根都向末端扩展。


一个壁虎脚b。显微镜下壁虎手指的“枕头” c。壁虎的一种爪子鬃毛，增长幅度很大，最大的鬃毛增长幅度 （照片：somuchnews）

美国科学家发现，每1厘米2，壁虎的爪子有10牛顿的电流。。只有在光滑的表面上（包括动物腿上几乎所有的纤维都参与其中），才能实现这种粘附。如果我们谈论的是壁虎栖息地中经常发现的表面-岩石，树木，那么这里只涉及爪子纤维的一部分（由于这些表面上存在大量不规则性），但这足以将动物固定在适当的位置。

事实证明，壁虎腿上的细毛通过范德华力附着在支撑面上。范德华力—分子间（和原子间）相互作用的力为10–20 kJ / mol。范德华力的基础是一个分子的电子和原子核与另一个分子的核和电子之间相互作用的库仑力。在分子之间一定距离处，吸引力和排斥力彼此平衡，从而形成一个稳定的系统。正是这样一个系统，壁虎的爪子由它所接触的表面组成。

爪的复杂结构提供了另一种特性-疏水性。爪子可以排斥水和污垢，因此壁虎可以在潮湿的表面上很好地移动。

壁虎很容易将爪子从其附着的表面上取下来。为此使用了一种特殊的机制。事实是，如果纤维与表面之间的角度大于30°，则附着在任何材料上的硬毛很容易脱落。移动时，改变爪子与表面的接触角，壁虎可以轻松地固定和分离爪子。此过程的能源成本极低。

范德华力还是其他东西？


两年前，加拿大科学家亚历山大·彭利迪斯（Alexander Penlidis）决定独立研究壁虎爪子与表面的粘附机理。事实证明，当爪子和表面接触时，会发生电荷交换。结果，在爪处形成正静电荷，在表面处形成负电荷。

Penlidis用两种类型的聚合物表面进行了试验-特富龙AF和聚二甲基硅氧烷。根据科学家根据研究结果得出的结论，粘附力与爪和表面的静电荷大小相关。由此得出结论，电荷在爪子对表面的粘附中起主要作用。



这项研究很有趣，但是并没有回答重要的问题-壁虎如何保持在非常不平坦的表面上，而使用电荷确保壁虎的附着力要比在平坦的表面上困难得多。壁虎的腿也许有双重耦合机制-范德华力和电荷。

水效应


在绝大多数情况下，科学家在干燥环境中对壁虎进行了实验。阿克伦大学的科学家决定检查蜥蜴在潮湿表面上移动的程度。事实证明，如果在玻璃板上喷水，则该动物在这种表面上的抓握要比没有水滴的同一板上的抓握要差得多。



然而，壁虎设法留在潮湿的表面上。但是，如果将盘子浸入浅水中，然后再将壁虎放在盘子上，那么在这种条件下，蜥蜴将无法停留在表面上。如果将壁虎的腿浸入水中一个半小时，然后将其放在玻璃上，则会滑落，无法立足。

根据阿克伦大学的阿丽莎·史塔克（Alyssa Stark）的说法，这是由于水干扰了范德华相互作用的作用，并且壁虎的腿无法固定在表面上。

不只是爪子


麻萨诸塞州大学阿默斯特分校的科学家说，壁虎的全身参与将爪子固定在表面的机制。根据阿尔弗雷德·克罗斯比（Alfred Crosby）的观点，爬行动物的身体起着弹簧的作用，将爪子压向表面。壁虎的体重越大，今年春天越强壮。由于这种机制，大型壁虎，而不仅仅是它们的小亲戚，可以完美地固定在任何表面上。

尽管亚历山大·彭利迪斯（Alexander Penlidis）能够证明电荷对壁虎爪子附着力的影响，但大多数专家仍然支持基于范德华力的附着力观点。现在，科学家试图解释另一个有趣的问题-这种机制在进化过程中的起源。

壁虎苏格兰威士忌


自从壁虎的腿部机制被普遍理解以来，人们一直在尝试人工复制壁虎的腿。特别是，DARPA机构建立的登山装备，允许一个体重122千克（体重+有效载荷），以所述陡壁玻璃爬升到7.6米的高度。斯坦福的工程创建机器人能够爬陡峭的基本上光滑的表面。机器人操纵器也模仿壁虎的腿。而来自宾夕法尼亚大学的专家已经开发出一种一种新型的高精度抓爪，可在生产中用于小零件的加工。可以承受许多次使用循环并且其表面不会被长时间使用污染的超级胶带的开发也正在进行中。NASA 开发了一种特殊的安装座，既可以在地球上使用，也可以在太空中的零重力下使用。它使您可以使用壁虎脚部图像和外观中创建的特殊“维可牢尼龙搭扣”将商品固定在表面上。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN396299/

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