【中科院之聲】人可能擁有“壁虎手”么？
壁虎能夠依靠其黏性的趾墊在墻壁、天花板上快速地移動。在過去的20多年里，這種優(yōu)異的可逆黏附能力獲得了研究者們高度關(guān)注。通過研究壁虎的黏附作用機制，對于開發(fā)新型粘結(jié)劑、軟體機器人等具有重要意義。電影《蜘蛛俠》中彼得帕克飛檐走壁的本領(lǐng)更加激發(fā)了人類對這種能力的向往?！?/p>
（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）
壁虎快速、可逆、可調(diào)控的黏附力來源于其特殊的腳趾。事實上，我們用肉眼就能觀察到壁虎柔軟的腳趾上呈現(xiàn)出毫米級的條帶狀褶皺。通過光學(xué)顯微鏡的放大，我們能夠觀察到其條帶狀的褶皺是由許多密集的微米尺度的纖維組成的。而利用掃描電子顯微鏡技術(shù)，存在于壁虎腳趾上的復(fù)雜微觀黏附結(jié)構(gòu)系統(tǒng)才得以揭示：壁虎腳趾的黏附系統(tǒng)是一種跨尺度的多級分形纖維狀結(jié)構(gòu)。其由數(shù)以百萬計的被稱為剛毛（setae）的細(xì)小毛發(fā)狀結(jié)構(gòu)組成，這些結(jié)構(gòu)在尖端進(jìn)一步分裂為200納米寬和5納米厚的納米結(jié)構(gòu)突觸（spatulae）。這種特殊的多級分形的結(jié)構(gòu)能夠克服表面粗糙度的影響，與黏附基底表面形成良好的接觸，從而產(chǎn)生超過壁虎體重多倍的黏附力。
圖1 壁虎腳的結(jié)構(gòu)。（a，b）壁虎(Gekko gecko)與壁虎腳。（c）剛毛密集排列。（d）單根剛毛。圓形突觸。(e)放大的突觸
壁虎腳趾與基底良好的接觸能夠產(chǎn)生充分的相互作用力，對于壁虎黏附相互作用力的研究一直是熱點。Autumn等人在21世紀(jì)初的一項重要工作表明，可逆的范德華力是壁虎黏附力的主要來源。后續(xù)的研究表明毛細(xì)作用、靜電作用、疏水作用等也在壁虎的腳趾中產(chǎn)生不可或缺的影響。最新的研究表明壁虎腳趾的脂質(zhì)分泌物產(chǎn)生的酸堿相互作用也在壁虎的可逆黏附中扮演著重要的角色。這些界面的物理化學(xué)相互作用，在壁虎運動中快速可逆的黏附、摩擦、自清潔等方面意義非凡。隨著研究深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)壁虎神奇的黏附能力的基礎(chǔ)不僅僅是這些界面的物理化學(xué)相互作用，壁虎腳趾上剛毛的模量、尖端的幾何形狀以及腳趾的運動狀態(tài)均有貢獻(xiàn)。
圖2 Autumn研究壁虎黏附的奠基工作
一般來說，壁虎腳趾強大的黏附力與其快速可逆的黏附狀態(tài)似乎是矛盾的。強大的結(jié)合力必然會導(dǎo)致分離過程的困難，但是壁虎卻可以輕松得實現(xiàn)強大的黏附與快速脫附一體化。通過對壁虎腳趾進(jìn)行建模與力學(xué)分析，研究者們發(fā)現(xiàn)壁虎腳趾的貼合，彎曲、形變、脫離過程將會導(dǎo)致其表面的多級分形微結(jié)構(gòu)與基底產(chǎn)生類似“撕膠帶”的剝離過程。在不同的剝離角度下，黏附力的表現(xiàn)數(shù)量級能夠跨越幾個數(shù)量級。這就通過機械形變實現(xiàn)了黏附力原位的可逆變化，造就了強大的黏附與快速簡單脫附的統(tǒng)一。
圖3 腳趾的機械形變在壁虎可逆黏附中的作用。（a-f）宏觀-微觀的壁虎與壁虎腳趾形貌。（h，i）壁虎腳趾剝離模型。
基于壁虎的這些研究成果，科學(xué)家們開發(fā)出了大量的表面結(jié)構(gòu)化的黏附器件。但是，壁虎無法在水下進(jìn)行攀爬，主要原因是在濕環(huán)境中，界面處的水膜將會阻止壁虎腳趾與基底的良好接觸，導(dǎo)致范德華力等相互作用無法給予壁虎幫助，導(dǎo)致黏附失效。因此，科學(xué)家們利用學(xué)習(xí)自然，超越自然的理念，對仿壁虎腳結(jié)構(gòu)化黏附器件行進(jìn)表面化學(xué)改性，可以大大提高壁虎腳黏附器件在水下的應(yīng)用范圍。同時，引入與壁虎腳趾類似的機械形變能夠增強可逆、可切換的黏附行為。
基于此，最近，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究團(tuán)隊在此研究課題上取得了重要進(jìn)展，科研人員成功制備得到具有機械響應(yīng)自剝離特性的智能壁虎腳黏附材料。具體而言，研究人員通過耦合表面微結(jié)構(gòu)（蘑菇狀硅彈性體）、界面黏附化學(xué)（鄰苯二酚基濕黏附共聚物膠）和材料機械形變（響應(yīng)性水凝膠），開發(fā)了一種對溫敏性仿生多層智能黏附器件（SPSA），動態(tài)機械變形誘發(fā)界面接觸狀態(tài)變化，進(jìn)而實現(xiàn)了水下黏附可逆調(diào)控。
研究人員通過使用界面軟接觸黏附力儀測量系統(tǒng)原位表征了SPSA器件與基底表面的動態(tài)接觸過程，成功捕獲到接觸界面的裂紋擴(kuò)展和剝離邊界演變過程。通過黏附力測試與接觸力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)SPSA能夠在干態(tài)、濕態(tài)環(huán)境下通過本體材料的機械變形引發(fā)的剝離機制實現(xiàn)黏附力的可逆調(diào)控。并且，黏附力與形變曲率半徑的關(guān)系是0.5的標(biāo)度律，且SPSA可在干態(tài)與濕態(tài)條件下連續(xù)可逆循環(huán)使用20次以上。
研究人員將具有光熱響應(yīng)特性的納米粒子整合到器件中，所設(shè)計的器件能夠在近紅外激光的輻照下成功實現(xiàn)與壁虎腳趾類似的接觸貼合、形變剝離、脫附的過程，并用于水下物件的抓取與轉(zhuǎn)移?！ ?/p>
圖4 表面結(jié)構(gòu)、界面化學(xué)、機械形變耦合設(shè)計水下黏附器件
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會以及中科院國際合作局對外合作項目的支持
參考文獻(xiàn)：
1. Autumn, K.; Hansen, W., Ultrahydrophobicity indicates a non-adhesive default state in gecko setae. Journal of Comparative Physiology A 2006, 192 (11), 1205-1212.
2. Autumn, K.; Liang, Y. A.; Hsieh, S. T.; Zesch, W.; Chan, W. P.; Kenny, T. W.; Fearing, R.; Full, R. J., Adhesive force of a single gecko foot-hair. Nature 2000, 405 (6787), 681-685.
3. Autumn, K.; Sitti, M.; Liang, Y. C. A.; Peattie, A. M.; Hansen, W. R.; Sponberg, S.; Kenny, T. W.; Fearing, R.; Israelachvili, J. N.; Full, R. J., Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2002, 99 (19), 12252-12256.
4. Huber, G.; Mantz, H.; Spolenak, R.; Mecke, K.; Jacobs, K.; Gorb, S. N.; Arzt, E., Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2005, 102 (45), 16293-16296.
5. Song, Y.; Wang, Z.; Li, Y.; Dai, Z., Electrostatic attraction caused by triboelectrification in climbing geckos. Friction 2020, 1-10.
6. Izadi, H.; Stewart, K. M.; Penlidis, A., Role of contact electrification and electrostatic interactions in gecko adhesion. Journal of the Royal Society Interface 2014, 11 (98), 20140371.
7. Singla, S.; Jain, D.; Zoltowski, C. M.; Voleti, S.; Stark, A. Y.; Niewiarowski, P. H.; Dhinojwala, A., Direct evidence of acid-base interactions in gecko adhesion. Science Advances 2021, 7 (21), eabd9410.
8. Tian, Y.; Pesika, N.; Zeng, H.; Rosenberg, K.; Zhao, B.; McGuiggan, P.; Autumn, K.; Israelachvili, J., Adhesion and friction in gecko toe attachment and detachment. Proceedings of the National Academy of Sciences 2006, 103 (51), 19320-19325.
9. Zhang, Y.; Ma, S.; Li, B.; Yu, B.; Lee, H.; Cai, M.; Gorb, S. N.; Zhou, F.; Liu, W., Gecko’s Feet-Inspired Self-Peeling Switchable Dry/Wet Adhesive. Chemistry of Materials 2021, 33 (8), 2785-2795.
來源：中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
