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注。通過研究壁虎的黏附作用機制，對于開發(fā)新型粘結劑、軟體機器人等具有重要意義。

壁虎快速、可逆、可調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，存在于壁虎腳趾上的復雜微觀黏附結構系統(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構。其由數(shù)以百萬計的被稱為剛毛(setae)的細小毛發(fā)狀結構組成，這些結構在尖端進一步分裂為200納米寬和5納米厚的納米結構突觸(spatulae)。這種特殊的多級分形的結構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，從而產生超過壁虎體重多倍的黏附力。

圖1 壁虎腳的結構。(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)的研究表明毛細作用、靜電作用、疏水作用等也在壁虎的腳趾中產生不可或缺的影響。最新的研究表明壁虎腳趾的脂質分泌物產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，科學家們發(fā)現(xiàn)壁虎神奇的黏附能力的基礎不僅僅是這些界面的物理化學相互作用，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。

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。強大的結合力必然會導致分離過程的困難，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。通過對壁虎腳趾進行建模與力學分析，研究者們發(fā)現(xiàn)壁虎腳趾的貼合，彎曲、形變、脫離過程將會導致其表面的多級分形微結構與基底產生類似“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，科學家們開發(fā)出了大量的表面結構化的黏附器件。但是，壁虎無法在水下進行攀爬，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，導致范德華力等相互作用無法給予壁虎幫助，導致黏附失效。因此，科學家們利用學習自然，超越自然的理念，對仿壁虎腳結構化黏附器件行進表面化學改性，可以大大提高壁虎腳黏附器件在水下的應用范圍。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，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究團隊在此研究課題上取得了重要進展，科研人員成功制備得到具有機械響應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構(蘑菇狀硅彈性體)、界面黏附化學(鄰苯二酚基濕黏附共聚物膠)和材料機械形變(響應性水凝膠)，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，進而實現(xiàn)了水下黏附可逆調控。

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展和剝離邊界演變過程。通過黏附力測試與接觸力學分析，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)黏附力的可逆調控。并且，黏附力與形變曲率半徑的關系是0.5的標度律，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特性的納米粒子整合到器件中，所設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移。

圖4 表面結構、界面化學、機械形變耦合設計水下黏附器件

最后，大家可以和小編肆無忌憚的設想一下，如果通過這近乎“智能”的改性技術，讓某種粉體材料的每一個顆粒都可以實現(xiàn)“機械形變增強可逆、可切換的黏附行為”的話，那這類粉體材料的功能豈不是不可想象?