分子引力在仿生學中的應用 分子仿生學及其應用

來源:教學設計 發布時間:2019-06-19 04:10:08 點擊:

  在金庸等著名武俠小說家的經典著作中,我們可以看到有關高手們飛檐走壁的描述。但他們跟壁虎比起來,簡直是小巫見大巫。壁虎能在光滑的墻壁上行走自如,甚至能站在天花板上。這表明壁虎的腳底與物體表面之間必定存在很強的特殊黏著力,但這種力量究竟從何而來?
  美國加利福尼亞大學伯克利分校的科學家羅伯特·福爾等人經過多年研究已弄清壁虎吸附墻壁和蜥蜴在側壁上自由爬行的原理。看上去不起眼的壁虎,居然是自然界數一數二的“應用物理大師”。它腳底的力量,竟然來自分子引力。靠著這種力量,一只身長2英寸的壁虎,用它不過幾平方毫米大小的腳掌,理論上能夠毫不費力地提起重達40公斤的重物!
  那什么是分子引力呢?分子引力也叫范德瓦爾斯力,是中性分子彼此距離非常近時產生的一種微弱電磁引力。由于這種引力過于微弱,通常沒人加以注意。比如,當我們把手貼到墻上時,也會產生分子引力,但由于實際接觸面積太小,可能只有數千個接觸點,人的手掌不會被吸附到墻壁上。但壁虎就不一樣了,如左上圖所示,它的每只腳底部長著數百萬根極細的剛毛,而每根剛毛末端又有約400根至1000根直徑僅0.25微米的凸出物。這種精細結構使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近,從而產生分子引力。雖然每根剛毛產生的力量微不足道,但累積起來就很可觀。根據計算,一根剛毛能夠提起一只螞蟻的重量,而100萬根剛毛雖然占地不到一個小硬幣的面積,但可以提起20公斤力的重量。如果壁虎同時使用全部剛毛,就能夠支持125公斤力。科學家說,壁虎實際上只使用一個腳,就能夠支持整個身體。它又是怎樣自如地控制腳上的吸力呢?科學家用顯微攝像機錄下壁虎在玻璃上爬動的情況,發現當壁虎試圖移動腳掌時,需要付出比吸住附著物時高600倍的力量,并將腳趾伸展到30度以上才能達到目的,這就如同人們扯下粘貼的膠帶時所做的一樣。而且,即使在真空環境下,它腳上的粘著力也不會失靈,這說明壁虎不必分泌任何物質以維持附著力,也不需要借助空氣負壓“吸”住物品。
  由于剛毛數量眾多,無數個微小引力凝聚成一股巨大吸力,使壁虎能夠輕而易舉地吸附在物體表面。正是這一“剛毛吸附原理”帶給科學家研制爬行手套、爬行鞋、“壁虎機器人”的靈感。
  意大利都靈理工大學教授尼古拉·普尼奧也計劃通過效仿壁虎的吸附原理,利用約10年時間,研制出能讓人“飛檐走壁”的“蜘蛛服”。
  美國斯坦福大學教授馬克·庫特科斯基的研究小組已研制出被稱為“粘蟲”(Stickybot)的“壁虎機器人”,如右圖所示。“粘蟲”足底長著人造毛(由人造橡膠制成)。這些微小的聚合體毛墊能確保足底和墻壁接觸面積大,進而使范德瓦爾斯粘性達到最大化。
  經過多年努力,我國南京航空航天大學也成功研發出了能代替人來執行探測,拍攝等任務的仿生“壁虎機器人”,如左下圖所示。仿生“壁虎機器人”將來的推廣范圍非常廣泛。例如,仿生壁虎機器人在地震搜救過程中能發揮巨大作用,“像一些地震救援隊無法找到的領域,仿壁虎機器人憑借著小巧的優勢就能輕易找到,并且及時通報給救援隊廢墟下有沒有被壓埋的人。”

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