如何像蜘蛛俠一樣飛檐走壁？

如果我們能像蜘蛛俠一樣飛檐走壁，或是用四肢在天花板上行走，也許還挺酷？

蒼蠅和蜘蛛能在完全光滑的垂直牆壁上攀爬，甚至能在天花板上自由地爬行。直觀地說，它們是用小爪子勾住了牆壁，而該方法行之有效的重要原因就在於它們很輕。然而，有一種重得多的脊椎動物同樣能做到這一點，那就是壁虎（體長可達35厘米，重400克）。

它是如何做到的呢？

有趣的是，它或多或少使用了與蜘蛛相同甚至更為精妙的技巧。

如果我們也想飛檐走壁，那就需要詳細研究其中的原理。

壁虎的腳底有一道道的凹槽，就像徒步鞋的鞋底一樣，

不過這些凹槽並非連成一片的橡膠塊，更像是由無數微小的毛製成的「刷子」：這些是所謂的「剛毛」，直徑僅為人頭髮的四分之一，而它們的末端是由數千根納米纖維簇形成的，單體直徑不過百萬分之一毫米，只比DNA分子稍大。

也許你會說：「我曾經也用過刷牆的刷子，但一放手就會掉下來。所以，並不是有毛的東西就一定能粘在牆上。」

無需膠水就能黏合

沒錯！這叫做干黏合（沒有膠水或黏稠液體）。

如果你覺得這種現象與直覺相悖，那是因為我們通常使用的刷子上的毛沒有壁虎剛毛那麼細。這一謎團的關鍵在於范德瓦耳斯力——因荷蘭物理學家約翰尼斯·范德瓦耳斯（Johannes Van der Waals）發現而得名。

在此之前，他是一個幾乎不為人知的天才。因為在19世紀的荷蘭，人們只能用拉丁語進行論文答辯。在經歷了漫長的制度改革後，他終於在36歲時向世人展示了他的成果！

約翰尼斯·范德瓦耳斯的發現是，為了解釋氣體和液體的行為（以及從一種狀態到另一種狀態轉變的方式），我們必須承認所有構成物質的原子或分子之間距離非常短，且互相之間存在吸引力。

因此，它們之間存在輕微的黏性——該現象背後的機制很晚才被發現。

距離的問題

奇怪的是，當把食指摁在牆上時，你可以毫不費力地移開，並沒有黏黏的感覺。那手指與牆壁原子之間的范德瓦耳斯力去哪了呢？毫無疑問，它肯定是存在的，但卻非常微弱，因為食指並沒有真正觸碰到牆壁。

你的食指只是放在了不規則牆壁表面（物體表面不可能完全平整）的頂部，手指頂端大部分的分子都離牆體太遠，形成的吸引力根本不值一提。請記住：只有非常非常近的距離才能產生足夠大的吸引力。

壁虎腳底的納米纖維雖然不規則，但它們更接近牆壁表面。

於是，大量的纖維產生顯著的吸引力，每一根剛毛末端的纖維簇與牆面之間都能產生相當於一粒沙子重量的吸引力。而由於壁虎腳底有數百萬根剛毛，所以形成的合力非常大。

實驗室測試表明，對於幾乎所有種類的壁虎來說，當它們黏在牆上時，每平方厘米的剛毛能產生足夠抵抗1千克重力的摩擦阻力。

也就是說，憑藉著1平方厘米的「黏性」腳掌（幾乎是我們能找到的最大的壁虎腳了），重為1千克的壁虎就可以安然地在建築物立面上移動。而實際上，已知最大的壁虎也不到500克重！

那對於人來說呢？10個指尖（只是前面柔軟的部分）的面積大約有30平方厘米，再加上腳趾（行走時與地面接觸的部分）的90平方厘米，總的來說，能利用的「黏性」表面積有120平方厘米，足以承載120千克的重量，約是一般成年男性體重的1.5倍。

設想我們在手上和腳上都長出了剛毛，那我們就可以像蜘蛛俠一樣飛檐走壁了！有些人聽了可能會皺眉頭質疑，因為他們在媒體上看到的一系列文章，都宣稱「蜘蛛俠永遠不會存在」。

科學自相矛盾？

這些媒體的報道都基於美國科學促進會發布的一項非常嚴謹的研究，因此大多數人都不假思索地相信了該觀點。

接下來，你會看到美國研究人員的結論既完全正確也完全錯誤。

科學家測量了從蜘蛛、壁虎到各種蒼蠅的黏性納米纖維表面，找到了普遍的規律：動物的體型越大，黏性表面就越大。具體來說，黏性表面積隨體重以1.02為指數增長（如果體重翻倍，則黏性面積增加到原來的21.02 = 2.03倍）。

他們推斷，對於一個體重80千克的人來說，要有幾乎一半的身體都被黏性毛髮覆蓋才能支撐其飛檐走壁！這似乎是有道理的：動物越重，那麼支撐其體重所需的黏性表面積就應越大。

不過，這與上述的結果（即只需藉助手和腳上的毛髮，我們應該就能夠攀爬牆壁了）相矛盾。怎麼回事？計算明明是正確的啊。那當人攀岩的時候，又是什麼在支撐身體的重量呢？

答案是皮膚。想像一下，你被掛在天花板上，身體像滾球一樣撐破紙袋一般的皮膚……但事實上，你不會被活剝。

根據測量剝兔皮所需拉力的農業科學文章，人的體重足以將手指和腳上的皮膚撕下來。

其實，動物的黏性表面隨體重增加，並不是因為需要更多表面積來支撐它們的重量，而是因為重力必須被充分分配在外保護層（脊椎動物的皮膚或昆蟲的外殼）上，以保障皮膚不會被撕裂。

對我們來說，既然無法在皮膚上長出天然的剛毛，那能不能穿上一件帶有納米剛毛的靴子和手套的蜘蛛俠套裝呢？

壁虎的剛毛

如果你穿了一件普通的尼龍套裝，那你最終可能摔得四腳朝天，但靴子和手套還黏在高高的天花板上，衣服被拉伸得很長。

但是，如果你穿上更牢固的碳纖維套裝……你就真的能黏在天花板上了。而目前的多種合成干黏合劑——形同膠帶，比壁虎腳的黏性還高三倍——也能發揮很好的作用！

結論：本文提出的問題終究只是一個「假設」，雖然聽上去有些愚蠢，但這個假設沒準還真能實現。至少我有好好思考過。

撰文 René Cuillierier

編譯 周玉府

來源：新發現雜誌
編輯：Be