2016年9月23日 星期五

『臺博新知』:人造黏附裝備-爬牆高手的秘密武器



賴婉婷/國立臺灣博物館研究組
歐陽盛芝/國立臺灣博物館
李冬齡/美國馬里蘭大學植物學研究所博士
很快人類將可像蜘蛛人一樣成為爬牆高手,直接用手掌及腳掌攀岩、嘗試極限運動、清洗高樓窗戶、進行高空作業或救援,這些應用開發源自於美國史丹佛大學馬克•克高斯基(Mark Cutkosky)教授所研發成功的仿生壁虎足人造黏附裝備,由體重70公斤的團隊成員測試這種新型黏附裝備,成功地在直立光滑的玻璃牆僅花90秒就爬升3.7公尺,黏片可以安全地黏附於牆上,而僅靠兩個安全踏板支撐身體重量,測試者甚至放開雙手豎起大拇指!
 
模擬壁虎剛毛的人造黏附裝備將讓人變成爬牆和攀岩高手(繪製者:王美乃)。   


原本科學界認為人類攀牆的想法於現實生活中不可實現,英國劍橋大學動物系沃爾特•費爾德(Walter Federle)教授今(2016)年初才剛在美國《國家科學院期刊》發表研究報告推論動物的身體體積越大,黏附足墊佔身體表面積的比例也需越大,因此「壁虎是能夠攀附在光滑垂直牆壁上的最大動物」,人類除非演化出至少要大到穿歐洲鞋碼145號的超級大腳,才可能像壁虎一樣在牆上行走自如,這項結論卻立刻被史丹佛大學推翻。

疣尾蝎虎(Hemidactylus frenatus)足趾腹面排列整齊的脊狀皮瓣皺摺上長著成排剛毛,可產生黏附力,圓圈是左前足腹面放大(圖片來源:國立臺灣博物館,歐陽盛芝重製)。

其實美國國防部高等研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)早在2000年就開始推動「Z俠研究計畫」(Z-Man project),由美國麻薩諸塞州劍橋市的德雷珀實驗室(Draper Laboratory)馬特•古德曼(Matt Goodman)博士執行,目的是為了解決美軍在都市環境作戰時可能面臨的挑戰。2014年曾將塗佈著模仿壁虎足結構的可逆性彈性體聚合纖維製成稱為「壁虎皮」(Geckskin)的特殊布料,研發出人造「壁虎手套」(Gecko-Inspired Gloves),接觸物體時能像壁虎足一樣牢牢黏附在表面。如果將一塊100平方公分的壁虎皮黏附在玻璃上,就可吊掛300公斤的重物;體重99公斤且背負23公斤裝備的軍人雙手戴著壁虎手套,能不需借助繩索或梯子等工具攀爬7.6公尺高的玻璃牆,不僅能快速到達目標地域,且能搶佔制高點。但當時開發的裝備只能向上爬,若改變方向就會立刻掉落,因此刻正研究改善技術中,預定2018年即可提供特種部隊實際使用。
(以上新聞編譯自2016210日發行之DOGOnews等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿
責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
日期:2016/09/22
本單元學術名稱:生物醫農>動物學
標籤:人造黏附裝備-爬牆高手的秘密武器
資料來源:
Staples, A. 2016. Can spider-man exist in real-life? Depends on which researcher you believe!. DOGOnews / News, February 10, 2016.
Hawkes, E. W., E. V. Eason, D. L. Christensen, and M. R. Cutkosky. 2015. Human climbing with efficiently scaled gecko-inspired dry adhesives. J. R. Soc. Interface (Journal of the Royal Society Interface), 12(102): 1-10 (doi: http://dx.doi.org/10.1098/rsif.2014.0675).
Labonte, D., C. J. Clemente, A. Dittrich, C.-Y. Kuo, A. J. Crosby, D. J. Irschick, and W. Federle. 2016. Extreme positive allometry of animal adhesive pads and the size limits of adhesion-based climbing. PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), 113 (5): 1297-1302.
Tarantola, A. 2014. DARPA’s gecko-inspired gloves let anyone climb up flat walls. Gizmodo, June 6, 2014.
You, J. 2014. Gecko-inspired adhesives allow people to climb walls. Science / News, November 18, 2014.
延伸學習:
Autumn, K., Y. A. Liang, S. T. Hsieh, W. Zesch, W. P. Chan, T. W. Kenny, R. Fearing, and R. J. Full. 2000. Adhesive force of a single gecko foot-hair. Naure, 405 (8 June 2000): 681-684.
Labonte, D. and W. Federle. 2015. Scaling and biomechanics of surface attachment in climbing animals. Phil. Trans. R. Soc. B (Philosophical Transactions B), 370: 1-17 (doi: http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2014.0027).
Tian, Y., N. Pesike, H. Zeng, K. Rosenberg, B. Zhao, P. McGuiggan, K. Autumn, and J. Israelachvili. 2006. Adhesion and friction in gecko toe attachment and detachment. PNAS (Proceedings of National Academy of Sciences), 103 (51): 19320-19325.



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