零距離科學：仿生學之「黏附」

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？

supernature_adherence_5 — 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。

supernature_adherence_6 — 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。

supernature_adherence_7 — 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。

supernature_adherence_8 — 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。

supernature_adherence_9 — 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！