零距離科學:仿生學之「黏附」

零距離科學:仿生學之「黏附」

我們想讓你知道的是

一連幾集的《零距離科學》,正要帶領大家了解「仿生學」(Biomimetics) 近年的迅速發展,而第一集的主題是「黏附」(Adhesion),讓我們一同發掘大自然的超能力吧!

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

人類常常覺得自己是地球的霸主,其他生物都是低人一等。當我們用引以為傲的智力去研究其他生物時,才發現有不少「低等」生物的技能比我們的高端科技還要厲害。

科學家、工程師開始借鑑生物經過長年演化的特殊本領,鑽研它們背後的結構功能,從而研發出新的技術和產物,解決人類社會面對的問題。

一連幾集的《零距離科學》,正要帶領大家了解「仿生學」(Biomimetics) 近年的迅速發展,而第一集的主題是「黏附」(Adhesion),讓我們一同發掘大自然的超能力吧!

飛簷走壁不是夢

不知道大家小時候有否練成「壁虎功」?在兩道狹窄的牆壁間上下游走,不亦樂乎!我們當時倚靠的其實是磨擦力,倘若牆壁表面異常光滑,「壁虎功」便無用武之地。反之,真正的壁虎卻是內功深厚,不但能在光滑的垂直表面上來去自如,還可以在天花板上作倒吊表演。牠們究竟是怎麼做到的?

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壁虎的特異功能——倒吊著自己來爬行

原來,壁虎的每隻腳上長有大約50萬條剛毛(Setae),每條剛毛長約0.03至0.13毫米,直徑則為人類頭髮的十分之一,大家可以想像為一個縮小版的鮑魚刷。每條剛毛還有著數以百計的突出物,其末端為0.2至0.5微米的刀片形結構。

這些結構與接觸面以微弱的范德華力(van der Waals force)互相吸引,積小成多便能承載壁虎的體重。這種黏附力並不是只靠垂直於接觸面的壓力,更重要是倚靠平行於接觸面的拉扯。還有,當這種拉扯超過了某一臨界角度,剛毛便能輕而易舉地從接觸面分離。這樣,壁虎便能真正做到在天花板上健步如飛。

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壁虎的腳上長有剛毛,靠著積小成多的范德華力來支撐自身的體重。

更神奇的是,剛毛有自我清潔的功能,每一撮剛毛之間有著空隙,施加於剛毛的每一下橫向拉扯都能把污染物推至空隙處,讓壁虎的腳掌在骯髒環境中仍能保持乾淨。

壁虎的剛毛啟發了工程師,製造新一代黏貼膠帶。現在,15平方厘米的新膠帶已能支撐100公斤的重量。這種發明可以應用在無人機上,讓它可以隨時黏附在接觸面,達到省電的效果。倘若能模仿剛毛自我清潔的能力,便能製成可重覆使用的黏貼膠帶,從而減少污染。

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新一代膠帶黏附力驚人,15平方厘米已能支撐100公斤的重量。

無需針線的手術

除了壁虎以外,科學家還從沙堡蠕蟲(Sandcastle worm)身上有所啟發。沙堡蠕蟲群居於加州的岸邊,牠們會以沙粒和碎貝殼作材料,並分泌出黏液,來建築管狀的沙堡作藏身之用。

科學家對這種黏液的特質很感興趣,它並不與水混溶(Water-immiscible),不易被水沖散,並能在水中形成牢固的聚合物,可抵禦海浪的衝擊。他們參考了這些特性,研發出一種液態預聚合物(Prepolymer),在紫外光照射下能迅速聚合。

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沙堡蠕蟲分泌出黏液,以沙粒和碎貝殼建築管狀的沙堡作藏身之用。

這種發明在醫學上有巨大的價值。現今醫學界盡量以微創程序取代體外循環心臟手術,以減低併發症出現的機會。但是,要在心臟跳動、血液流動的情況下縫合一些組織,實在是很大的挑戰。假如用一般的針線,則會對組織造成更多的傷害,這問題尤其在嬰兒心臟手術特別嚴重。

有了這種神奇膠水,把它塗在要縫針的血管或組織,以紫外光讓其聚合,便能形成既富彈性,又防水,並且能自然降解的塗層。科學家在豬隻的心臟做過試驗,發現即使以腎上腺素大大提高其心跳,這神奇膠水塗層仍絲毫無損。不久的將來,當這發明能應用在人體,便會是病人的天大喜訊。

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把神奇膠水塗在要縫針的位置,便能作出完美的黏合。

滑不溜手豬籠草

自然界的生物不單讓我們在如何「黏附」有所得著,也對我們實踐「反黏附」有莫大裨益。

這回我們的學習對象是豬籠草(Nepenthes pitcher plants)。它的捕蟲籠內壁非常光滑,當昆蟲被蜜汁吸引爬進捕蟲籠,便一去不復返,在底部被消化液活活淹死。

科學家發現,捕蟲籠內壁有一層粗糙帶孔的微型結構,讓水分子可以完全滲入其中,形成一層完美的光滑平面,昆蟲帶油的腳沒法站穩,便恨錯難返了。

這跟當今常用的防水物料應用著截然不同的原理。科學家之前從荷葉得到啟發(Lotus effect),發現水珠很容易在葉面上滾動,原因是葉面上有很多突出物,突出物上有著絨毛,當水珠掉落時,接觸到的就是這些突出物和夾帶的空氣,並沒有真的落在葉面上。科學家就是以這種「固體—氣體」的界面來製造防水物料。

豬籠草則採用「固體—液體」的界面達致更佳的效果。科學家運用這個原理,製造出名為「SLIPS」(Slippery Liquid-Infused Porous Surface(s))的注液帶孔光滑表面。這表面由兩部分組成:第一,是滿佈著納米或微米大小細孔的材質;第二,是能完美滲入這些細孔,並且不與水和碳氫化合物(Hydrocarbons)混溶的潤滑液。

這表面有不少令人讚歎的特性:第一,它防水、防酸、防醶、防酒精、防烷;第二,它的表面極其光滑,只要稍為傾側2.5度,外來液體便會自動滑下;第三,它的結構能承受極高壓,680 atm的壓力(相等於大約海平面下七公里)也沒能讓它受損;第四,它遇硬物撞擊時,能在0.1至1秒間,透過潤滑液的再分布來迅速收復反黏附能力。

SLIPS的應用層面廣泛,例如是遠洋貨輪的底部,那就可以阻止貝類生物黏在船底,讓船隻航行時的阻力減低,從而節省燃料。SLIPS亦可應用在盛載液體的器皿,讓液體完全不沾邊,不會浪費任何一滴!

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豬籠草的捕蟲籠內壁非常光滑,啟發科學家製造「反黏附」表面。

自然教會我的事

大自然確實是科學家的教室,她蘊藏著無窮的珍寶,有些看來毫不起眼,像是今天介紹的壁虎、沙堡蠕蟲、豬籠草,但卻可以成為新發明的觸發點。可惜的是,今天的人類正不斷地摧毀這個教室,第六次物種大滅絕已在上演……沒了生物,我們又從何談仿生學呢?

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於7月10日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

延伸閱讀:

  • Autumn, K. et al. (2000). Adhesive Force of a Single Gecko Foot-hair. Nature 405: 681-685.
  • Lang, N. et al. (2014). A Blood-Resistant Surgical Glue for Minimally Invasive Repair of Vessels and Heart Defects. Science Translational Medicine 6:218ra6.
  • Menguc, Y. et al. (2014) Staying Sticky: Contact Self-cleaning of Gecko-inspired Adhesives. Journal of the Royal Society Interface 11: 20131205.
  • Wong, T.S. et al. (2011). Bioinspired Self-repairing Slippery Surfaces with Pressure-stable Omniphobicity. Nature 477: 443-447.

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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