参照蜥蜴、常春藤和其他天然材料的特征有助于为日常物品实现卓越性能。
常春藤是自然界中最强的粘合剂之一；通过研究植物属性，研究人员们正在开发先进的医用胶水
蛤蚧大壁虎的结构帮助它们吸附于墙壁
数千年来，人类观察鸟类飞行并希望有一天能够如鸟儿般飞翔――最终莱特兄弟实现了这一愿望。同样，一些科学家们已经开始盯着壁虎爬墙，考虑着人类是否有一天也具备同样的能力。如今他们如愿以偿。2014年6月，一位背包负重体重达100公斤的人只利用了一对手持桨式控制杆垂直地爬上了一块玻璃，这对尖端材料制作的控制杆的设计灵感正是来源于壁虎。
控制杆上的合成壁虎皮肤在材料科学领域有着众多同类。研究人员越来越多地从植物和动物身上找到灵感，去设计表面具有特殊属性的涂层或纹理。例如，常春藤攀附墙面的粘合剂激发了科学家们发明一种能够帮助受损组织再生的材料。从贻贝粘合剂中提取的分子可以为靶向肿瘤细胞提供渠道。旱金莲叶子上的脉络令科学家们开发了可以防止雨水在飞机机翼上结冰或者避免智能手机屏幕存留不干净指印的合成表面。窍门就是从自然中闪现思想火花――其中一些有着长远的发展，另一些是全新的想法――然后让想法变成实用并耐用的现实产品。
蜥蜴的秘密
生物学家们长期以来一直认为壁虎的无残留、粘性的脚的秘密是被称作刚毛的一系列微观纤维。刚毛，遍布蜥蜴的爪垫，被认为增加了每个爪垫的接触面和它想要攀爬的表面，从而使原子（被称为范德瓦尔斯力）之间的引力可以克服其他力量，例如重力。然而研究人员试图复制使用人工刚毛的效果，并未成功。
这是因为刚毛并非是故事的全部。马萨诸塞大学阿默斯特分校的聚合物科学家及工程师阿尔·克罗斯比（Al Crosby）说：“这些小纤维很有意思，但它们有效性不足。”他曾经帮助研发“壁虎皮肤”，被美国国防高级研究计划局用于其2014年6月的演习中。一片10×10厘米大小的壁虎皮肤承重约达318公斤。当其他研究人员关注壁虎脚部的表面特征时，克罗斯比和他的同事们将他们的研究重心转向其他相关问题：当壁虎的脚接触墙壁的时候是如何表现的。
研究者们对于起作用的力量做了数学模型――主要是在壁虎的爪和它所接触的物体之间产生的范德瓦尔斯力，以及蜥蜴身体的重力牵引。模型让团队开始研究壁虎的身体结构与那些力之间如何协作。
尤其是，壁虎的脚部有一个不同寻常的肌腱。大多数动物中，包括人类在内，肌腱将肌肉和骨头连接起来。但壁虎的肌腱一端直接连在其爪垫的皮肤上，另一端连着肌肉。当壁虎将脚趾向下，脚垫上的凹槽充血，将皮肤鼓冲贴近表面。与此同时，肌腱提拉皮肤，在用力的方向产生一种不寻常的硬挺度。皮肤的柔软和肌腱产生的强硬度结合起来，使得壁虎悬挂，而且其皮肤与物体表面顺应一致，从而壁虎被稳稳托住。这分散了更大面积上的重力。因此，壁虎的脚和它所攀爬的表面之间的范德瓦耳斯力大于相反方向的重力。当壁虎需要迈步时，它会卷曲脚爪。这一行为释放了肌腱上的张力，降低硬挺度，让动物的脚离开物体表面。
蛤蚧大壁虎的结构帮助它们吸附于墙壁
壁虎皮肤用一种柔软的、橡胶式的材料（如聚氨酯）用作垫子来模仿壁虎的脚，将其与如凯夫拉尔这样的硬面料或者碳纤维结合，提供肌腱的硬挺度。材料放弃了刚毛。参与研发壁虎皮肤的生物学家，也是克罗斯比同事的邓肯·伊尔斯奇克（Duncan Irschick）表示：“我们并不是一定要完全按照自然界的方式做研究。我们多少只是从壁虎那得到灵感，然后继续向前。”
攀缘植物和爬行动物
与壁虎不同，常春藤的粘合剂似乎更像胶水。常春藤产生一种粘性的淡黄色液体，可以将其牢牢地吸附在墙壁上，其干枯后的物质可以承载等同于自身重量两百万倍的力。俄亥俄州大学生物医学工程师张明军（Mingjun Zhang）说：“这是自然界最强大的胶粘剂之一。”张明军希望他能将对该植物属性的了解应用到新的医学粘合剂研发中。
张教授发现，黄色液体是水、多糖和直径约70纳米的有机离子的混合体。这些微小颗粒减少液体的粘度，这有助于它蔓延到常春藤想攀附的表面，从而产生最大程度的接触。纳米粒子也形成一个与粘合剂中的聚合物相结合的分子。这使最终的产品坚固、有弹性，不像其他有些胶水那样干了后变硬变脆。张教授认为这种材料使用牺牲键合，其中的分子分离又聚合；这样的键合给予骨骼和珍珠母力量，因为它们能让硬质材料分散某种压力的能量而不破碎。常春藤纳米粒子也可以防止裂缝蔓延，使得材料特别牢固。张教授随后发现贻贝分泌的液体里的其他纳米粒子，使得甲壳类动物能够吸附在潮湿的岩石上，尽管海浪不停地对它们推拉――其力超出了大多数人造胶的承受力。还有研究人员也在海星和藤壶产生的胶黏剂中发现了类似的结构。
一些科学家表示，纳米粒子技术要想达到预期的效果需要得到更好的理解。上海科技大学仿生工程教授钟超认为：“知道更多关于特定氨基酸和蛋白质结构的情况，以及相关的粘附机制会很有意思。”加利福尼亚大学伯克利分校的材料科学家兼生物工程师菲利普·梅瑟史密斯（Phillip Messersmith）强调，该研究仍然处于初级阶段，结果还不确定。他说：“我认为自己还没有足够令人信服的证据来证明常春藤胶粘剂中的纳米粒子在粘合中起重要作用。”
张教授也表示，如果真是纳米粒子起到作用，韧性、附着力和生物基础组件的结合会使常春藤纳米粒子具有多种用途，他正在尝试开发使用常春藤胶粘剂修复受损组织。理论上，含有常春藤胶粘剂的绷带可以提供一个激励新细胞生长的环境，像心脏这样的器官有条件自愈。它也可以与干细胞一起，帮助愈合过程。在有盖培养皿的实验中，张教授证明，胶粘剂帮助细胞生长并附着在表面。他说：“这并非是一个简单的机械键。这是一种帮助创建伤口愈合生物环境的生物材料。”张教授已经开始在动物研究中进行应用实验，尽管他也表示在此项技术应用到人类之前可能需要相当长一段时间。
另一种基于常春藤纳米粒子的不同涂层可能很快准备就绪。张教授提出将它们用于防晒霜，取代目前使用的氧化钛或氧化锌。张教授发现，常春藤纳米粒子的大小与金属粒子大小区别不大，这意味着它们散射光线更加均匀。因此，含有常春藤纳米粒子的防晒霜比传统防晒霜看起来更清爽，并能阻挡更大范围的紫外线波长。张教授也在尝试着应用他所了解的常春藤的机制，并将其应用到其他材料中。他用不同的化学成分合成了纳米粒子，并试图将它们用于不同的聚合物基材。这样应该会产生不同的粘合剂以适用于不同情况，或许有一种会非常牢固，而另一种会更有弹性，“我正在试图超越自然界。”
壁虎脚上的垫覆盖着成千上万叫做“刚毛”的毛发
许多其他的研究人员也从自然中获得灵感并将研究推向一些新的方向。梅瑟史密斯研究贻贝粘合剂，适合保护水下物品。但他希望能在不同的环境中使用工程设计的贻贝粘合剂，甚至可能应用在太空探测器中。梅瑟史密斯说：“如果你要简单地模仿天然材料，你会得到只有在这种天然材料进化的环境下才能表现良好的东西。自然从来不会进化一些材料让它们在星际旅行中得以生存。”
梅瑟史密斯一直在关注贻贝粘合剂中一种关键的成分：多巴氨基酸(L-3,4-dihydroxyphenylalanine)。多巴原来是一种帮助一些附件――例如抗体――附着在表面的有用涂层。他解释道：“在油漆术语中，它本质上是一种底漆。”梅瑟史密斯的专利多巴涂层方法包括将多巴溶解于水，确保溶液与海洋酸性一样，然后将涂层对象浸泡其中。德克萨斯州奥斯汀市Advanced Hydro公司授权认可梅瑟史密斯的涂层技术用于废水处理和海水淡化厂的过滤设备。Advanced Hydro公司用多巴为它们的过滤器涂层，然后附加氧化聚乙烯分子使过滤器抗污染，提高它们的效率并降低维护成本。
2014年12月在马萨诸塞州波士顿市召开的材料研究学会会议上，梅瑟史密斯描述了此项技术最新的应用。他把多巴的同类分子聚多巴胺涂在金纳米棒上，这样他就可以添加一种抗体靶向肿瘤细胞。抗体携带纳米棒进入肿瘤。接着纳米棒会受到近红外光的加热，从而杀死肿瘤。他汇报使用这种方法杀死了培养的肿瘤细胞。
梅瑟史密斯正在考虑将多巴向可可、绿茶和红酒中发现的多酚的粘性化学物质发展。这样的化合物与多巴有类似的化学属性，提取成本更低。他解释道：“这些分子，因为它们在组织中被发现，具有可用于涂层的生物属性。”具体一些，他补充道，它们的抗氧化和抗菌特性会使这样的涂层用于医疗器械或食品加工的表面。
水滴地带
尽管将物体附着在表面是有用的，使物体表面更加光滑同样富有意义――例如可使它们保持清洁或干燥，或者减少阻力。机械工程师克里帕·瓦拉纳西（Kripa Varanasi）研发了防水的纳米材料表面。瓦拉纳西在他麻省理工学院办公室的旱金莲植物中获得灵感。他说：“有一天我一下被眼前的事物愣住了，植物的脉络在叶的顶部而非底部。”
在此之前，植物科学家们认为，自然界最防水（也称为超疏水）的表面属于荷叶。荷叶表层有蜡，化学上不溶于水。蜡位于微观的突起部分，粗糙意味着水和叶之间没有什么接触，所以水滴在叶片上仍能保持圆润，更容易滚落。这样的表面也是一种自洁，因为水会带走叶面上的污染物；这使得荷叶得到了研究表面的科学家的青睐，他们研究的表面需要防湿、抗菌。然而瓦拉纳西猜测，旱金莲在它叶片的顶部是否有叶脉做着和荷叶的蜡质突起一样的工作。
瓦拉纳西有理由研究他的办公室植物。他想看看是否可以增加水在物体表面的反弹速度――具体地说，他想让水快速反弹，这样就不会在飞机的机翼上结冰，或者在金属表面开始生锈。减少接触时间也会降低雨中风力涡轮机的阻力，使它们的工作效率更高。正常情况下，一滴水击中一个超疏水的表面，它会快速地变得平缓，然后缩成一个球状并反弹起来。在使用荷叶效果的表面，瓦拉纳西测量了水珠的缩卷时间为12.4微秒。接着他拿了几片铝，在上面磨出了薄薄的脊状，100微米高200微米宽，来模仿旱金莲的脉络。滴落在铝脊上的水珠分成更小的碎片，在7.8微秒时间内回弹。这不起眼的几微秒就意味着结冰与不结冰之间的差别。
瓦拉纳西猜测植物可能已经进化出超疏水的属性，因为快速反弹的水滴几乎没有机会保存细菌或病毒。他说，蝴蝶需要抵制雨的影响，她们的翅膀上甚至有更加复杂的静脉结构，瓦拉纳西正在研究那些结构看看可以接着模仿什么效果。
纽约罗切斯特大学的两位激光专家使用了一种激光来打磨黄铜、铂和钛的碎片，得到一个类似的反弹效应。物理学家郭春雷（Chunlei Guo）2015年初就此研究工作发表了一篇论文，指出它们能够让表面具有超疏水性，不附着任何化学涂层，这就意味着未来的涂料不会掉色。
事实上，让这些表面和涂层更牢固以经得起使用的磨损，对于那些把想法从实验室带入制造业的科学家们来说是个挑战。美国费耶特维尔市阿肯萨斯大学研究材料和制造流程的教授阿杰伊·马尔西（Ajay Malshe）表示：“我们必须要找到一种方法让这种材料更牢靠。生物学中，总有一个稳定的自愈过程，但我们在石油管道或飞机机翼的材料工程中没有。”
据机械工程师巴拉特·布尚（Bharat Bhushan）介绍，防水表面是研究人员面临的一个挑战，但防油（超疏油）表面在从能源到消费性电子产品等各个领域会更有价值，但也更难实现。巴拉特·布尚在俄亥俄州大学的实验室分析了生物表面的微观结构。由于石油的表面张力比水低，更容易在表面上蔓延开来，因此应用像荷叶那样防水的效果需要不同的化学和表面结构。布尚在表面上盖上一些细柱，直径14μm，高30μm，然后在表面上涂上氟化合物（这些化合物的抗粘性是众所周知的，特氟龙是一个典型的例子）以使表面具有超疏油的属性。这样的设置在表面附近的石油下面困住了气流，从而使油无法粘住。布尚说，制作手机触屏的索尼公司咨询过使用这一技术来防止屏幕弄脏。用这种方式处理石油管道的内部可以使石油的流动更加流畅，减少了推动石油流动的高压需求，但可能会出现泄漏问题。
布尚也在应对生物淤积的问题，因为细菌和其他生物会在表面形成难以去除的痕迹。美国海军预计一年要花费5 600万美元用于处理生物淤积，从清理船身到清理用于抵消阻力的附加燃料。布尚用不同高度和间距的小柱覆盖表面。由于存在间距，单个细菌或者被孤立在柱顶，或者落入柱子之间的缝隙，从而无法彼此连接形成覆膜。布尚介绍：“如果你有一个结构化的表面，细菌就无法轻易传播。”
进化已经产生了无数种材料和可能被利用的技术，因此还不用担心未来没有想法和创意。瓦拉纳西说，当面对一个工程难题，他总是先问自己一个简单的问题：“在那种情况下，一只昆虫或其他什么生物会怎么做呢？”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐
