生物世界
想象一下，你能够像壁虎一样在玻璃幕墙上自由攀爬，或像蜘蛛侠一样轻松倒挂在天花板上——这并非科幻电影的场景，而是科学家们通过仿生学正在逐步实现的现实。壁虎，这种常见的小型蜥蜴，拥有令人惊叹的攀爬能力：它们能在光滑的玻璃、粗糙的墙面甚至潮湿的树叶上自如移动，而这一切都归功于它们脚掌上精妙的微观结构。
科学家们对壁虎脚掌的研究已持续数十年，并在此基础上开发出一系列仿生材料和技术，从可逆黏附胶带到太空机械臂，从医疗敷料到攀爬机器人。这些研究不仅让我们更深入地理解自然界的奇妙设计，也为人类科技带来了革命性的突破。
壁虎脚掌的奥秘
运动是动物捕食、逃逸、繁衍等行为的基础，自然界几十亿年的进化与“适者生存”的法则造就了壁虎非凡的运动能力。作为蜥蜴目的一员，壁虎不仅能垂直攀援墙面，还能在天花板上驻留爬行，且移动后不留痕迹，足底始终保持洁净，不沾染任何微粒。
研究表明，壁虎种类虽然多种多样，但其脚掌吸附系统的结构在微观上却是惊人的相似。在扫描电镜下，壁虎的脚掌呈现出一种多分级、多纤维状表面的错综复杂的吸附结构。每个脚趾生有数百万根细小刚毛，每根刚毛的长度约为30-130 µm，刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛（如图1所示）。当壁虎攀爬时，这些铲状绒毛会与物体表面完全接触，产生范德华力（中性分子间一种微弱的电磁引力），壁虎脚部无数刚毛与固体表面间范德华力的累积形成超强的粘附力，足以支撑壁虎的体重。这种多分级、多纤维粘附系统不仅赋予壁虎超强黏附力，还实现了黏附与脱离的快速切换——这正是仿生研究的重点课题之一。
科学家们发现壁虎的粘附系统类似于纤维斜向排列的复合材料，具有一定的材料各向异性，据此建立了各向异性材料粘附接触模型。分析显示：沿着纤维排列方向拉伸时，界面粘附强度达到最大；而偏离该方向拉伸，界面粘附强度急剧减小，且最大粘附强度能够超过最小粘附强度一个数量级。研究从理论上揭示了可逆粘附机制：通过改变施力方向可以实现强力粘附和轻松脱黏。
图1 壁虎多分级粘附系统（图片来源：参考文献1）
爬壁机器人
机器人专家从壁虎的形态特征、行为模式及特殊机能中获取灵感，各类仿生机器人应运而生。爬壁机器人是一种可以在倾斜程度较大的环境中移动的机器人，兼具移动能力与壁面附着能力，可应用于危险环境作业，如核废料储罐检测维修、圆形油罐内外壁检修与防腐处理、灾害救援物资运输、飞行器维护保养等。
图2 仿壁虎机器人在精密工业和生物医学方面的应用（图片来源：参考文献2）
西京学院研究团队从仿生学角度精确模拟了壁虎的功能结构和运动形态，实现了仿生机械壁虎的“机、电、气、智”多维度一体化设计，并通过样机测试验证了仿生设计思路的正确性与可行性。未来研究将从提高电源续航能力和户外环境适应性、为机体配置智能降落伞等方面改进。
图3 仿生机械壁虎功能测试（图片来源：参考文献3）
前沿突破：光控“智能黏附材料”
对环境的感知是运动决策的基础，尽管科学家们早已知晓壁虎脚掌的原理，但要人工复制这种能力却面临巨大挑战。
2025年4月，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室周峰研究员团队与西北工业大学合作，基于软物质表面分子的动态构象转变机制，发展了一种具有快速可逆黏附调控功能的智能水凝胶材料。研究人员通过将Fe3O4纳米颗粒的光热转换效应与N-异丙基丙烯酰胺的温敏特性相耦合，成功实现了近红外光远程控制的黏附性能可逆切换。
当近红外光激发纳米颗粒产生热效应时，会诱导水凝胶发生温度响应性相变，实现软物质表面水分子的渗出/吸收，改变其表面亲水羧酸基团的分子构象，进而可逆地控制邻苯二酚基团的屏蔽和暴露。这犹如为材料装上了“光控开关”，在远程即可实现黏附力大小的精准操控。相关研究成果以“Light-controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion”为题发表在Chem & Bio Engineering上，为智能黏附材料的设计提供了新的研究思路。
图4 智能水凝胶的光控脱黏试验（图片来源：参考文献4）
我们并非简单模仿自然，而是从自然中寻求答案，用自然原理创造超越自然的仿生材料。壁虎的脚掌虽小，却蕴含着足以改变人类科技的奥秘。或许不久的将来，我们每个人都能拥有一双“壁虎手套”，体验飞檐走壁的乐趣——而这，正是科学仿生的魅力所在。
参考文献
1 陈少华,彭志龙.壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展[J].力学进展，2012,42(03):282-293.
2 李明.仿生微纳粘附阵列的制备与物性研究[D].中国科学技术大学,2011.
3邱海飞,张嘉友,李成创,等.类壁虎仿生机器人机械控制及实验[J].机械设计与究,2023,39(03):21-26.DOI:10.13952/j.cnki.jofmdr.2023.0093.
4 Yang S, Qin C, Zhang Z, et al. Light-Controlled Adhesive Hydrogels for On-Demand Adhesion[J]. Chem & Bio Engineering, 2025.
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