STEM｜為何壁虎能爬在牆上？動物超能力大揭秘 啟發創新科技｜星島教室

你每天都在和它打交道，卻幾乎沒察覺它的存在——摩擦力。它讓我們能走路不滑倒、汽車能停下、物品能握在手中。但你知道嗎？在自然界，摩擦力更是動物生存的秘密武器！有些生物甚至為了「操控摩擦」而進化出令人驚歎的身體構造。現在就揭開動物如何巧妙利用摩擦力生存，並看看這些自然界的智慧，如何啟發人類科技的突破——從仿生機械人到未來材料，摩擦力的奧秘遠比你想像的精彩！

何謂「摩擦力」？

你或許覺得摩擦力只是課本上的名詞，但它其實是一個隱形的「操控高手」。當鉛筆在紙上輕鬆寫字，不會打滑；當手機放在桌面上，不會自己滑走，背後都是摩擦力在默默發揮作用。

「摩擦力」是指物體在接觸面上移動時所受到的阻力。它看似簡單，卻會根據物體是否移動，擁有兩種「身份」：靜摩擦力：像守門員，阻止物體開始滑動；動摩擦力：像追趕者，物體一旦移動，它就緊跟不放。

摩擦力大小與多種因素有關，它取決於材質、表面粗糙度，甚至重量。而在自然界，動物早已把這門「摩擦學」玩得出神入化，牠們的身體結構就是一套精密的摩擦力設計，幫助牠們在各種環境中生存。

壁虎腳掌：摩擦力奇蹟

壁虎是摩擦力應用的代表性動物之一，牠們能在垂直牆壁甚至天花板上自由行走，關鍵在於腳掌上的微細毛髮結構。這些毛髮稱為「剛毛」，每根剛毛再分成數百個更細分支，能與牆面產生「范德華力」——一種微弱但大量存在的分子間吸引力。雖然「范德華力」不是摩擦力本身，但兩者共同作用，使壁虎能穩穩黏附在牆上。腳掌的微結構增加接觸面積，提升摩擦力與黏附力，形成不需液體或膠水的「乾式黏附」技術，適用於多種材質。

科學家仿照壁虎腳掌研發出「壁虎膠」，具高黏性、可重複使用且不留痕跡，並廣泛應用於多個領域。例如太空任務中，在無法使用傳統膠水的環境提供穩定黏附力；醫療領域製作貼片，能溫和黏貼皮膚、不刺激且可重複使用；機械人技術也採用此仿生設計，使機械人能像壁虎在牆面移動或抓取物品。這些創新不僅提升黏貼技術的靈活性，更展現仿生科技的巨大潛力。

蛇滑行：絕妙分配藝術

蛇沒有腳，卻能在地面上快速移動，靠的是身體與地面之間的摩擦力。牠們的移動方式包括「側向滑行」、「直線滑行」、「捲曲滑行」，每一種都巧妙利用摩擦力。蛇肚有特別的鱗片，能夠在不同方向產生不同摩擦力。

當牠們往前爬行時，有些鱗片增加摩擦力固定身體，其他部分則減少摩擦力讓身體滑動。這種「摩擦力分配」的能力，讓蛇能在沙地、泥地、草地甚至水中自由移動。蛇的鱗片排列方向與表面紋理，能夠控制摩擦力的方向性。這種「各向異性摩擦」讓蛇能夠有效地推動身體前進。

科學家受到蛇的啟發，設計出「蛇形機械人」。這些機械人能在瓦礫堆中穿梭救援，也能鑽進狹窄管道檢查，甚至有微型機械人可以進入人體進行微創手術。蛇形機械人模仿蛇控制摩擦力的方式，在複雜地形中穩定移動，展現出靈活性和適應力。這些發明不但讓我們更了解動物的智慧，亦顯示仿生科技的驚人潛力。

企鵝疾滑：減摩擦技巧

企鵝在冰面上滑行時，會用肚子貼地滑動，藉此降低摩擦力。牠們的羽毛具有防水與防寒功能，同時亦可降低與冰面的摩擦力，讓牠們滑得更遠、更快。這種滑行方式不僅節省能量，也能快速逃離掠食者。企鵝的羽毛排列緊密，表面光滑，進一步減少與冰面的接觸阻力，加上身體重心低，讓滑行過程更穩定。

這項自然原理亦啟發了人類的設計，例如滑雪服採用仿企鵝羽毛的防水與減摩特性，提升速度與舒適度；極地探測裝備則在雪地車底部運用低摩擦設計，以提高冰面滑行效率；運動器材如滑板與雪橇，表面塗層亦是參考了羽毛結構來減少摩擦。這些應用讓人類在極端環境中能更高效地移動，並改善運動表現。

螞蟻搬運：群體合「擦」

螞蟻能搬動比自身重量重上數十倍的物品，除了強大的肌肉力量，牠們還巧妙運用地面摩擦力來穩定身體。當多隻螞蟻合作搬運時，摩擦力幫助牠們保持平衡並維持方向。

螞蟻的腳掌擁有細小的爪子與黏性墊，能在不同表面上產生適當的摩擦力，牠們能在垂直牆面、樹幹甚至天花板上行走。更令人驚奇的是，螞蟻的腳掌能根據表面材質調整摩擦力，這種「自適應摩擦」能力讓牠們在複雜地形中，依然穩定移動。

這種行動方式啟發科學家研發出能在狹小空間中穩定移動的微型探索機械人，用於建築檢測或災後搜救；仿生黏附系統亦模仿螞蟻腳掌的黏性結構，讓機械人可在垂直表面上靈活行走；另外，群體機械人協作技術借鑑螞蟻的搬運行為，讓多台小型機械人能協同完成大型任務。這些創新展現了摩擦力在微型工程與群體智能中的關鍵作用。

摩擦力常被視為阻力，但在自然界，它是動物生存與移動的關鍵力量。從壁虎的攀爬到蛇的滑行，從企鵝的疾滑到螞蟻的搬運，摩擦力無處不在，支撐着生命的運作。更令人驚歎的是，這些自然巧思正啟發人類科技，從仿生材料到機械人設計，從極地裝備到微型裝置，皆源自動物的智慧。理解摩擦力，不僅是學習物理，更是開啟觀察自然與探索未來科技的窗口。

小思考，大智慧

如果未來要設計一款能在玻璃牆面和粗糙岩壁上都穩定移動的機械人，你認為除了模仿壁虎的腳掌結構，還須考慮哪些因素？

參考答案

可能還須考慮：

• 材料選擇：確保黏附系統在不同表面都能保持性能。
• 重量與重心設計：避免因重力影響而脫落。
• 能量消耗：黏附與移動機制須高效，避免過度耗電。
• 環境適應性：能夠在潮濕、灰塵或溫度極端的環境中，維持黏附力。

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。

文：中華基督教會何福堂小學主任葉穎琦、中華基督教會何福堂小學主任吳錦玲

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