论攀岩，没人能比得过这种植物_风闻

把科学带回家-把科学带回家官方账号-专注于孩子的科普教育2022-09-08 10:38

2022-09-08

　　（图片来源于网络）

　　撰文 | 阿娴

　　审校 | 沈梦溪

　　在我们小学三年级的语文课本中，有一篇文章叫《爬山虎的脚》，作者是叶圣陶爷爷。文中有一段是这么写的：“原来爬山虎是有脚的。爬山虎的脚长在茎上，茎上长叶柄的地方，反面伸出枝状的六七根细丝，每根细丝像蜗牛的触角。细丝跟新叶子一样，也是嫩红的。这就是爬山虎的脚。”

　　作者以饱含文学气息的笔触向我们讲述了爬山虎的攀爬过程，那么接下来就让我们一起从科学角度来探秘吧！

　　爬山虎怎么“爬”？

　　在爬山虎的茎干上，有几条细小“细线”间断地生长于茎干的节点，与爬山虎的叶子对向而生，就像是爬山虎的“腿”。爬山虎的“脚”实际上是一种类似于吸盘的东西，每个吸盘由一根“细线”连接而成，构成了其完整的行动力。这些“细线”一开始是笔直地伸长，当爬山虎需要进行依附攀爬时，爬山虎的“脚”便牢牢粘在墙体表面上，“细线”弯曲便变成卷须。

　　爬山虎的“腿”与“脚”｜wikipedia

　　由于爬山虎有许多卷须，可以多“足”协同向上攀爬，因此其生长速度极快，覆盖面积广。每长出一根卷须，爬山虎都会借此向上攀爬一点，紧贴着墙壁，等待着茎干的伸长和新的卷须再次长出来。

　　野蛮生长的爬山虎｜YouTube

　　爬山虎为什么这么能“爬”？

　　不要小瞧那些柔柔弱弱、十分纤细的卷须和吸盘，如果你的手指不使点劲儿，还是很难从墙上把他们扒拉下来的。

　　图片来源：flickr

　　关于这一点，华南理工大学的何天贤非常赞同，该团队在2012年研究发现：成熟枯干的爬山虎的单个吸盘的平均质量约为0.0005克，与基底的粘附接触面积平均值也只有1.22平方毫米，但其粘附力却达到13.7牛顿；单个吸盘在其生长发育过程中能够承受的重量是吸盘自身重量的260倍，能够承载的最大拉力是其自身重量的280万倍。换句话来说，爬山虎的一只“脚”就能撑起一瓶装载了1.4 L水的瓶子。

　　吸盘：我要牢牢抓住你！｜YouTube

　　爬山虎之所以能够牢牢吸附在各种物体表面，其中的道理还要从两个方面来细说，首先是吸盘独特的结构特征。

　　科学家利用电子显微镜对爬山虎的吸盘进行电镜扫描后发现：在接触物体前，爬山虎卷须的尖端是球茎状的，由大量的薄壁细胞组织组成一个中心区域即为吸盘，表面较为光滑（图a、b）。

　　卷须和未成熟吸盘的扫描电子显微镜图片｜参考资料[4]

　　刚接触到物体时，吸盘内部的微孔会分泌大量粘性液体，且随着时间推移，粘液会逐渐变硬（图e）。

　　未成熟吸盘的扫描电子显微镜图片｜参考资料[4]

　　同时，靠近接触点的吸盘表皮细胞将会疯狂伸长，而其他的表皮细胞则会保持背斜式地分开，以至于吸盘表面会呈现出好似由大量的“气球簇”组成的刷子形貌（图d、e、f）。

　　这些“气球簇”能根据物体表面的凹凸不平进行模仿，从而进一步形成“咬合”。

　　未成熟吸盘的扫描电子显微镜图片｜参考资料[4]

　　其次，吸盘的粘附过程中还会从内部平均直径为5 μm的微管及5~15 μm类海绵体的微孔中分泌一种粘性物质。

　　成熟吸盘的扫描电子显微镜图片｜参考资料[4]

　　早期研究表明，爬山虎的卷须含有大量的多酚类物质，而完全发育后的吸盘分泌的粘性物质很可能是一种酸性黏多糖。后来随着化合物分析技术的发展，科学家们发现爬山虎吸盘分泌的粘液主要是一种脱支的鼠李半乳糖醛酸聚糖和一些微量合成的新型化合物。

　　小小植物，大大妙用

　　偷偷地伸个懒“腿”吧！｜flickr

　　“爬山虎在生长和发育过程中涉及到了化学、生物、机械等多领域的相关知识，研究爬山虎吸盘的微观结构和功能性，将促进仿生物材料以及仿生器件的发展，具有重要的科学意义。”华南理工大学教授材料学院的邓文礼教授说。

　　2015年，有人根据爬山虎爬墙的意义设计了一种具有隔热功能的仿生动态外墙，从而有效的阻隔了墙外太阳光的热量，又兼具动态的装饰美化效果。

　　具有隔热功能的仿生动态外墙构造图：1-墙，2-支撑杆，3-叶片｜参考资料[7]

　　2019年，武汉大学动力与机械学院薛龙建教授课题组根据爬山虎黏附的特点，设计出一种仿生微米柱阵列黏附垫，能在不同粗糙表面实现强黏附和可控可逆的脱离。

　　黏附前后的SMP仿生微米柱阵列｜参考资料[2]

　　同年，在Nature Communications杂志上，来自意大利技术研究院（IIT）的研究人员发表了一篇题为《以动态渗透为驱动的一款刚度可变的卷须状软体机器人》的论文，向我们展示了世界上第一个模仿植物卷须（不完全类似爬山虎）的软机器人，为软体机器人的驱动研发带来了新思路。

　　我卷，我卷，我疯狂卷｜参考资料[3]

　　2021年，同济大学化学科学与工程学院王启刚教授课题组根据爬山虎吸盘微孔道中分泌的多糖粘液，开发了一种全新的“晶体状纤维强化聚合物凝胶”。这种凝胶突破了物体粘合时不同界面的限制，让更多材料可以通过通用界面实现黏附。

　　爬行吸盘的图示，其微通道释放的粘液可以提高粘附强度｜参考资料[1]

　　同年，有人根据爬山虎吸盘结构发明了一种用于牙周组织再生的爬山虎吸盘样仿生支架，该仿生支架能够有效促进牙骨质‑牙本质连接界面的形成。

　　有关爬山虎的仿生研究仍在继续……

　　图片来源：flickr

　　生活中不甚引人注目的爬山虎凭借自己不懈的攀爬占领了城市中的一片片高墙，也逐渐在科学研究领域中占据了一席之地。我们还有什么理由不努力？

　　爬山虎内心os：我也想躺平不卷，可是臣“虎”做不到啊！

　　参考资料：

　　[1]https://doi.org/10.1002/adma.202103174

　　[2]https://doi.org/10.1002/smll.201904248

　　[3]Must, I., Sinibaldi, E. & Mazzolai, B. A variable-stiffness tendril-like soft robot based on reversible osmotic actuation. Nat Commun 10, 344 (2019).

　　[4]何天贤. 爬山虎吸盘的粘附作用研究[D].华南理工大学,2012.

　　[5]华南理工大学邓文礼小组解开爬山虎超强吸附力之谜——《科学时报》 (2008-11-10)

　　[6]张莉．爬山虎吸盘多糖的分离纯化、结构表征与粘附性能研究．华南理工大学．2014．博士毕业论文

　　[7]陕西理工学院．一种具有隔热功能的仿生动态外墙[P] ．中国：CN204753853U，20151111

　　[8]上海市口腔病防治院．一种用于牙周组织再生的爬山虎吸盘样仿生支架[P] ．中国：CN214129678U，20210907