(作者：王維漢老師 / 逢甲大學 纖維與複合材料學系)

與傳統感壓膠帶不同，壁虎膠帶是力學膠帶。細數當今的壁虎仿生(Biomimetic)權威，非柏克萊加大的Robert J. Full莫屬。他是整合生物系複足實驗室(POLY-PEDAL)的計畫主持人。他的研究方法是找出壁虎的動作機構原理，再加以人工複製。前者是昆蟲學研究，以K. Autumn為代表。後者是微機電加工製造(MEMS)，以R.S. Fearing為代表。

三人研究壁虎在垂直表面的附著力，從電子顯微鏡上發現壁虎的腳上有多剛毛(Setae)，每隻腳上有近50萬根。每根剛毛末端再分岔成100~1000根小剛毛。小剛毛末端伸展成平台狀，稱為匙突(Spatula)，而這就是壁虎與表面的接觸點。圖三是透過電子顯微鏡將壁虎的剛毛結構由大至小分項而得。其中，小剛毛與匙突的尺寸大小分別是，10 nm與100 nm。

圖三、透過電子顯微鏡觀察，壁虎的剛毛結構由大至小的分項

與常見的結構膠與感壓膠帶屬於永久黏著的化學黏著屬性大不同，壁虎的剛毛與表面的接觸是一種物理力，稱為凡得瓦力(Van der Waals)，這種作用力範圍不超過二奈米。當二個物體接近至奈米時，始能感受此吸引力。

當K. Autumn確認壁虎的附著力是純物理機構，R.S. Fearing則以半導體製程模擬製造壁虎的剛毛。三人的研究成果於2004年獲得專利b。此專利重點摘錄有四：(1)剛毛型態描述、(2)剛毛-匙突(Setae-Spatulae)如何運作、(3)如何用於實務(practice)、(4)微結構製造。他們使用一微型偵測器(MEMS sensor)測量剛毛的受力情況，其中包括垂直的預荷重(preload)與平行的脫離力(detach force)。圖四是壁虎的剛毛陣列示意圖。

圖四、壁虎的剛毛陣列示意

他們發現，剛毛的黏著力與下列因素有關：三維順向度(剛毛指向或遠離表面)與初始接觸的預荷重(剛毛指向或遠離表面)。其中(1)剛毛脫離表面平行力與初始接觸預荷重垂直力相依，(2)剛毛脫離表面平行力~10倍於初始接觸預荷重垂直力，(3)初始接觸預荷重：接觸表面的匙突數量，(4)剛毛脫離表面與特定角度(characteristic angle)相關，最佳脫離表面的特定角是，35度。(註2)、辦公文具使用的剪刀最易剪物的刀刃角度是30度。

圖五是剛毛-匙突脫離表面的運作情形，概分為四個步驟：(1)垂直預荷重、(2)剛毛開始拉伸平行力、(3)剛毛滑行(sliding)、(4)剛毛分離(pull off)。經過量測，單根剛毛平均最大黏著力~94 mN，10倍於預測值。一隻壁虎最大黏著力~100 N，10倍於預測值。

圖五、剛毛-匙突脫離表面的運作情形

剛毛的微結構製造主要涉及半導體製程的，氧化、黃光、蝕刻、等步驟。圖六中，Si3N4 (102)，SiO2 (104) 分別沉積於基材(100)上，並經由黃光與蝕刻，產生軸狀(shaft)結構。由於Si3N4與SiO2二層的應力差，造成軸狀結構與基材平面彎曲(curl)，軸狀終端並進一步粗化(roughen)，形成類匙突結構。圖六是剛毛的微結構製造步驟。

圖六、剛毛的微結構製造

當然，在160專利中，剛毛的微結構製造不只是上述方式，為了具備法律上的周延性，專利實施例(embodiments)包含從壁虎身上取得剛毛(可再生)，與不同的製造可能性。

另外，德國有學者研究發現，生物體型與剛毛的關係。生物體型越大，剛毛末梢的分岔就愈小。對大型動物而言，重量與體長立方相依，而足部面積與體長平方相依。這說明大型動物必須有足夠寬大的腿與腳以便支撐體重。對於黏附表面的小型動物而言，則必須增大附著力。剛毛愈多，附著力愈大，相較於蒼蠅，體重更大，剛毛密度要更大。

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