壁虎 大自然界的鍵之鍊金術士

聚沙成塔的力量

到底有多黏

        根據科學家在顯微鏡下觀察到的壁虎,我們可以知道壁虎腳底的脊狀肉瓣上覆滿了密密麻麻的剛毛,每一根又細分出一百到一千不等的微小匙突,二零零五年在胡貝爾博士的研究中測量出一個匙突約能產生 11nN 大小的力量,因此我們可以推測一根剛毛產生的力量大概有 11~110 μ N ,而根據奧特姆教授與後期眾多針對單根剛毛所作的黏著力測試,得到的力量大小約為 200 μ N(194 μ N) ,這可是相當驚人的數目,為什麼這麼說呢?因為經科學家觀察發現,每平方公釐 (mm 2 ) 面積中的剛毛數量高達 14,400 根,如果一根剛毛的力量是 200 μ N ,那麼每平方公釐的力量最高就可達 2.8N ,將近 3N 的黏著吸力,而在大守宮的腳上約有六百五十萬根的剛毛,足足可產生 1,300N 的力量,換算成我們熟悉的單位,大概是 133 公斤 (Kg) !所以如果壁虎卯足全力用力的黏,那可是能夠舉起兩個一般的成年人呢!這是相當不可思議的力量。

《圖 22 即使只靠幾根腳趾,壁虎也能輕易的倒吊在玻璃上 》( This photo was taken by author )

小兵立大功

        奧特姆在測量壁虎黏著力量時發現,壁虎要讓腳上密密麻麻的剛毛發揮作用得靠點技術,經實驗觀察,當壁虎的腳對表面產生接觸時會暗中施點小魔術,微微的增加一個大小約為 40 μ N 的垂直力量,這樣的力量對於壁虎腳上所擁有的層次化結構來說是相當有幫助的,壁虎用這樣的微小壓力,可以使得腳底末端的匙突與表面作出為數更多的點接觸,進而增加產生黏著的匙突數量,在結合預加力量並向後拖行約 5mm 距離的情形下,發現剛毛能產生大小約為 200 μ N 的強大剪切力,進而形成黏著。這樣的力量遠勝於科學家以往對動物黏著力大小所作的推測,遠高達 32 倍,且這樣的力量是匙突與材料表面之間摩擦力的 100 倍,就這樣,壁虎腳上的剛毛於是可以聚沙成塔、積少成多,形成一股不可忽視的龐大黏著力。

聰明解套的藝術

        科學家又不禁要問,如果壁虎腳底的吸力真的如此強勁,甚至比膠帶還要黏,那為什麼他的腳可以如此輕易的從牆面上離開呢?在逃避敵人的捕捉時,又能夠立即的跳離牆面,來去自如!一般膠帶做不到的事,壁虎卻輕而易舉的做到了,實在讓人直呼不可思議。關於這一點,奧特姆教授提出了見解,就在他進行壁虎單根剛毛黏著力的測試時,他發現到對於剛毛的分離來說,角度的定向很重要,在某一個關鍵角度下,剛毛能夠輕易的離開黏著表面,這就好比從桌上撕起膠帶也需要一個角度才行。於是奧特姆教授對此反覆進行檢驗,發覺這樣的關鍵角度大約是三十度左右的範圍,除了角度之外,奧特姆教授認為匙突在外形上的幾何形狀也會帶來影響,因此對分離過程而言,剛毛定向的關鍵角度與匙突的幾何形狀或許是幫助壁虎離開接觸面的主要原因。

《圖 23 靠著特殊的分離機制,壁虎便能輕易駕御本身的黏著能力》( Autumn, K., “How gecko toe stick”, Am. Scientist, vol. 94, 124-132, 2006. )

殺雞焉用牛刀

        以一隻大守宮而言,理論上它能夠產生的黏著力超過 100Kg ,然而反觀壁虎自身的重量,卻僅僅只有 50g ,這樣看來,在一隻大守宮身上的剛毛充其量也只不過發揮了 0.03% 的效用,極大的落差不禁讓人懷疑,這樣的結果莫非是大自然的「過度設計」?但卻也不然,事實上當生物學家皮安卡 (Eric. R. Pianka) 的同事們在亞馬遜河進行研究工作時,不經意的看見一個相當有趣的現象:一隻壁虎從超過三 十米 高的樹上突然間跳躍而出,朝著地面筆直降落,此時一位研究生密特 (Laurue J. Vitt) 準備要在它落下時一手將它抓住,但說時遲、那時快,就在壁虎離地約 七米 左右的距離,壁虎突然朝鄰近的樹葉伸出其中一隻腳,接著緊緊攀附著樹葉然後爬進樹叢裡失去蹤影。這樣的一段插曲或許暗示著壁虎的匙突雖然平日並未完全和接觸面發揮作用,但卻不是大自然的「過度設計」。也許正是為了在激烈的競爭環境中生存,才進一步演化出眾多的剛毛,並因此造就壁虎得以繁衍不息的能力。

《圖 24 從10公分高處降落的壁虎,間經1.1公分的作用距離便可輕易的黏附在樹葉上》(This photo was from Wikipedia Commons )

 

 

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