无斑肥螈的攀附能力和体表形貌

焦庆 李蒙 戴庆文

摘要：自然界中，无斑肥螈能够轻松攀附在各种不同类型的湿滑壁面上。研究无水、少水和多水3种潮湿条件下，无斑肥螈在3种表面的攀附能力。试验结果表明，无斑肥螈攀附角度在多种情况下可达到180°。为揭示其攀附机制，通过环境扫描电镜进一步观察了无斑肥螈的体表形貌，发现无斑肥螈的脚掌具备直径约为30～50 μm的六边形结构，同时六边形细胞表面分布着聚集成簇的纳米柱;无斑肥螈腹部分布着密集的微凹坑结构。无斑肥螈体表微结构能够显著提高脚掌对基底的黏附力，尤其是在多水条件下的黏附能力。

关键词：无斑肥螈;攀附角度;体表形貌;微结构;黏附能力

中图分类号： Q811  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）15-0260-05

经过亿万年的进化，生物具备了功能各异的表面来适应复杂多变的自然条件，仿生表面制造为研究人员提供了许多解决工程实际问题的思路[1-3]。例如，对土壤动物的体表进行仿生，设计的犁壁通过几何非光滑结构单元可以降低犁耕阻力，提高生产效率[4];具备穿山甲鳞片织构的刀具能降低切削力和刀具温度[5]。

作为干黏附的杰出代表，在墙壁上自由爬行的壁虎早在200年前就进入了科研工作者的视野。壁虎脚掌是一个多尺度的黏附系统，分为黏性薄片、网状阵列、刚毛、尖端4个层次[6]。通过不同壁虎黏附能力和脚掌形貌的对比，人们发现黏附性能和脚掌刚毛的构筑规范性成正比[7]。

一些动物优异的湿黏附特性也引起了研究人员的关注。洪流蛙可以在瀑布冲刷的岩石上生活，而树蛙可以攀附在热带雨林的树枝上。Endlein等比较了洪流蛙和树蛙在水流冲刷下的攀附能力，发现洪流蛙攀附能力更强，同时观察脚掌后发现洪流蛙脚掌的细胞被拉伸，同时细胞间的通道更直，可以促进多余的水排出[8]。很可能是生活环境的不同导致这2种动物在被水流冲刷时的攀附能力存在差异。

Wang等通过攀附试验对东方蝾螈进行研究，发现东方蝾螈表现出良好的攀附能力，在少水光滑的表面攀附角度甚至达到180°，且东方蝾螈的大小对其攀附能力有一定影响[9]。东方蝾螈多数栖息在潮湿的土洞或石缝间，一种生活在溪流中的无斑肥螈引起了费梁等的注意，尽管其生存环境与东方蝾螈存在着明显的差异[10-11]，无斑肥螈可以攀附在光滑的壁面上，甚至可以从养殖缸中轻松逃脱。

生活环境的不同对洪流蛙和树蛙在攀附特点和体表形貌上存在一定的影响。与东方蝾螈生活环境不同的无斑肥螈在攀附能力和体表形貌上与东方蝾螈也有一定差异，且无斑肥螈的脚掌结构等方面研究还处于空白状态。鉴于此，试验研究无斑肥螈的攀附能力并探究无斑肥螈的体表形貌具有重要意义。

本研究在不同的潮湿条件下，测量无斑肥螈在3种表面上的攀附角度，通过环境扫描电镜观察无斑肥螈的体表形貌，总结无斑肥螈攀附能力的特点，讨论无斑肥螈体表形貌和攀附能力之间的关系，旨在为仿生表面设计提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 无斑肥螈简介

无斑肥螈属于有尾目蝾螈科肥螈属，身体圆润肥大，尾部占据身体长度约1/3。如图1所示，无斑肥螈的后背呈现棕褐色且皮肤细致光滑，腹部橙褐相间。本试验选择的无斑肥螈长度范围为13～16 cm，体质量范围为6～9 g。

1.2 攀附试验

试验使用如图2所示的装置来测试无斑肥螈的攀附角度，同时选用光滑玻璃板、光滑大理石板和粗糙大理石板作为测试表面。3种材料粗糙度和接触角見表1。

开始试验前，先后用乙醇和去离子水清洁测试表面后吹干。然后通过喷洒去离子水得到2种不同的湿度条件。无水条件是未喷水的测试表面，少水条件的测试表面含水量约为 12.5 g/m2，多水条件的测试表面含水量约为67.5 g/m2。

进行测试时，从培养盒中取出无斑肥螈，并用滤纸吸干其体表的水分，然后放置到准备好的平面上。改变测试表面的角度，当无斑肥螈刚从测试表面滑落或者掉落时记录角度。

1.3 环境扫描电镜观察试验

首先用医用手术刀切下无斑肥螈的脚掌和腹部皮肤，并清洗脚掌与腹部皮肤上的残留污物。然后将样本浸没在戊二醛溶液中固定一段时间。取出样本，用磷酸盐缓冲液进行漂洗。然后用乙醇对样本进行梯度脱水，再使用临界点干燥器对样本进行干燥处理。再把样本按一定的顺序固定在样本台上，放入离子溅射仪进行喷金（厚度约为10 nm）。最后在环境扫描电镜（Quanta 200）中抽取真空并进行观察。

2 结果与分析

2.1 攀附试验

图3至图5为无斑肥螈在光滑玻璃板、光滑大理石板和粗糙大理石板3种表面上的攀附角度。在光滑玻璃板表面，无水状态下的无斑肥螈攀附角度不稳定，角度在150°～180°之间。在有水存在的情况下，无斑肥螈可以稳定在180°，由此可见，少量的水可以提高无斑肥螈的攀附能力。在光滑大理石板上，无斑肥螈在无水和少水2种状态下攀附角度可以稳定在180°，但是多水状态下，无斑肥螈攀附角度在 40°～80°之间，可见水比较多时，会在一定程度上降低无斑肥螈的攀附能力。在粗糙大理石板上，无斑肥螈的攀附角度在3种水量下都可以稳定在180°，可见无斑肥螈对有粗糙度的表面有比较好的适应能力。

整体上看，在多种状态下无斑肥螈的攀附角度都可以达到180°。除了在光滑玻璃板无水条件和光滑大理石板多水条件这2种情况以外，无斑肥螈的攀附角度都可以稳定在180°，可以推断无斑肥螈在这几种状态下的黏附力是明显大于自身重力的。由此可见，无斑肥螈攀附能力比较优秀。

在无水条件下无斑肥螈攀附角度可以超过90°，可能不仅仅是靠2个表面之间的摩擦力，有可能是因为无斑肥螈体表分泌了一定的汗液或者黏液。无斑肥螈在光滑大理石板的多水状态下攀附角度小于80°，还有待于探明原因。

2.2 環境扫描电镜观察试验

2.2.1 脚掌外形和形貌观察 如图6所示，无斑肥螈脚掌皮肤由直径约为30～50 μm的多边形上皮细胞组成，相邻细胞间通过沟槽隔开。沟槽相连接，形成网络。大多数沟槽宽度在1.5 μm左右。

在无斑肥螈脚掌上分布着长约15.6 μm，宽约6.8 μm的椭圆形凹坑。这些凹坑无一例外地分布在六边形细胞的交界处。仔细观察图6发现，除了六边形细胞形成之间的沟槽连接而成的网状沟槽之外，在六边形细胞上也存在着更加狭窄的沟槽（如图6中白色箭头所指），狭窄的沟槽相互连接形成了另一个网络。目前暂时没有在东方蝾螈脚掌上观察到类似的凹坑和2种沟槽。

图7展示了六边形细胞表面分布的纳米柱，直径约为190～214 nm。纳米柱聚集成为一簇，相邻2簇之间的距离约为150～900 nm。掌心和脚趾指肚上找到了可能是黏液腺的结构（图8、图9）。2个黏液腺都是窄而长的形状，可能是因为在制备样品的过程中产生了变形。

2.2.2 腹部形貌观察 制样之后，腹部皮肤的皱褶更加明显（图10）。腹部表皮上没有六边形结构，但是存在分界线把细胞划分成了不同的区域（图11）。如图12所示，腹部表皮的微结构由密集的圆形或者椭圆形孔组成，这和脚掌的微结构完全不同。这些纳米孔的直径范围为100～300 nm。图13为纳米孔的细节。这些纳米孔之间的间隔具有圆弧状的凸起，而不是平面。图14为无斑肥螈腹部的腺体。腺体宽4.24 μm，长12.34 μm。腺体处似乎也残留了黏液。

2.2.3 黏附机制讨论 因为表面波纹度和粗糙度，固体界面之间的实际接触面往往远小于名义接触面，这是宏观固体面之间通常不会黏附的原因。然而哪怕是在粗糙或者弯曲的表面上，自然界中生物的表面都可以实现很好的黏附效果。无斑肥螈就是其中的佼佼者。无斑肥螈脚掌表面由六边形上皮细胞组成，细胞之间通过沟槽分隔开。之前的研究表明，这种六边形结构可以在有水的条件下提供更高的摩擦力，这在一定程度上提高了无斑肥螈的攀附角度[12]。无斑肥螈主要依靠六边形之间的沟槽进行排水，而往往沟槽的宽度越宽，排水能力也就越强。

六边形细胞上的纳米柱似乎可以很好地变形来提高实际接触面积，对不同粗糙度的表面都可以有很好的攀附效果。相比东方蝾螈脚掌纳米柱分布规律，更加稀疏的纳米柱可以降低无斑肥螈脚掌润湿性，进一步提高排出多余水分的能力。无斑肥螈的脚掌具备脚趾-六边形-纳米柱多层次的黏附系统，可以提高无斑肥螈在不同条件下的攀附能力。

在攀附时，无斑肥螈的腹部和尾部都附着在表面上，这可以提高攀附角度。无斑肥螈腹部皮肤上的微结构是凹坑阵列。腹部的微凹坑结构可以存贮一定量的水分和黏液，同时又能在水量过多的时候把水分排出去，减少水量过多对黏附能力的影响。微凹坑结构可以提高腹部对不同水量的适应能力。除此之外，对这些微凹坑结构还具备哪些功能了解的还很少，需要进行更多的研究。

由此可见，无斑肥螈具备直径更大的多边形细胞，更宽的沟槽;无斑肥螈的纳米柱横截面积更大，而且分布稀疏。与东方蝾螈在脚掌上的差异似乎可以解释为什么无斑肥螈具备更强的攀附能力，而且在多水状态下差异更加明显。由此可以猜测，在材料表面添加这样的六边形阵列，同时在六边形表面制作稀疏的纳米柱可以提高材料在多种粗糙表面的黏附能力。

3 结论与讨论

本研究通过攀附试验研究了在不同润湿条件下，光滑玻璃和大理石表面上无斑肥螈的攀附能力。通过环境扫描电镜试验观察了无斑肥螈脚掌和腹部的形貌。

多数情况下，无斑肥螈都可以在表面干燥或者有水时实现大角度攀附。只有在多水条件下，在光滑大理石板上攀附角度远小于180°。

无斑肥螈脚掌的特征适应它在自然条件下对提高黏附能力的要求。无斑肥螈脚掌表皮由多边形上皮细胞组成，被沟槽分隔开。多边形上皮细胞上分布着纳米柱。腹部表皮分布着密集的圆形或者椭圆形的微凹坑结构。

无斑肥螈的体表形貌一定程度解释了为什么无斑肥螈具备更好的攀附能力，同时也为仿生表面织构设计提供了新的思路。

参考文献：

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