指紋有什麽(me) 作用？

“凹凸不平的指紋增加了指尖的粗糙度，讓我們(men) 在抓取物體(ti) 時更加牢固。畢竟摩擦力與(yu) 物體(ti) 表麵粗糙程度有關(guan) ，與(yu) 接觸麵麵積無關(guan) 嘛。”

是這樣嗎？

答案遠沒有這麽(me) 簡單。初中的摩擦力定律並不完全適用於(yu) 指紋的情況。現實情況是：對於(yu) 手指而言，手指的摩擦力的確與(yu) 接觸麵積有關(guan) 。

手指的摩擦力不僅(jin) 與(yu) 接觸麵相關(guan) ，還和指尖濕度相關(guan) ，其背後是指紋的溝壑和豐(feng) 富的汗腺構成的一套複雜的調節係統，塑造了手指的摩擦力。

複雜的摩擦力

英國曼徹斯特大學的Warman等研究者曾進行過一項有關(guan) 手指摩擦力的實驗[1]。實驗中，研究人員測量了誌願者手指與(yu) 一塊幹燥有機玻璃板間的接觸麵積與(yu) 摩擦力，並發現二者成正比——接觸麵積越大，摩擦越大。

咦？怎麽(me) 和初中學的不一樣？

對於(yu) 橡膠等彈性體(ti) 來說，初中時學習(xi) 的摩擦力定律並不成立，彈性體(ti) 的摩擦力與(yu) 接觸麵表麵積相關(guan) ，也與(yu) 兩(liang) 個(ge) 物體(ti) 間的貼合程度相關(guan) 。

彈性體(ti) 可以形成粘附摩擦力，這可以幫助壁虎緊緊地粘在牆上，也可以讓F1賽車的輪胎牢牢抓住路況良好的幹燥路麵。

我們(men) 的手指屬於(yu) 彈性體(ti) 嗎？

至少在與(yu) 光滑表麵接觸時是的。這裏的“光滑”指真實世界的光滑，而不是初中物理題中沒有摩擦力的光滑。

Warman等人的實驗還得出了一個(ge) 推論：在接觸玻璃這樣的光滑物體(ti) 時，凹凸的指紋會(hui) 減少指尖與(yu) 物體(ti) 的實際接觸麵積，導致手指與(yu) 物體(ti) 間的摩擦變小。

咦？不對勁，指紋的存在怎麽(me) 反而降低了摩擦力？

出汗是為(wei) 了增加摩擦力

科學家們(men) 為(wei) 這個(ge) 問題爭(zheng) 論了很長時間。有學者指出，Warman等人的實驗推論忽略了一項重要因素：接觸麵濕度。

在其他研究指紋功能的實驗中，人們(men) 觀察到，如果用幹燥的手指接觸光滑不透水的物體(ti) 表麵，手指與(yu) 物體(ti) 間的摩擦力會(hui) 在一段時間內(nei) 逐漸增加[2]。

摩擦力的逐漸增加是由濕度變化導致的：我們(men) 的指紋上密布著汗腺，達到了每平方厘米內(nei) 530個(ge) 。在指尖與(yu) 光滑表麵接觸後，汗腺分泌的汗液則能軟化手指角質層，讓手指皮膚與(yu) 物體(ti) 表麵貼合更緊，從(cong) 而增大二者之間的摩擦。

圖C：手指濕潤狀態下能夠清晰看到指紋上的汗腺（白點）。圖D：指紋切麵圖，小彈簧形狀的白線就是汗腺。[3]

聽起來似乎哪裏不對：出汗難道不會(hui) 讓手指更滑嗎？怎麽(me) 反倒能增加摩擦？

最近，英國伯明翰大學Michael J.Adams與(yu) 韓國Seoung-Mok Yum等一些學者一起，通過實驗回答了這個(ge) 問題。

他們(men) 測量對比了身體(ti) 不同部位與(yu) 幹燥有機玻璃接觸時接觸麵上的濕度變化。在我們(men) 的身體(ti) 上，手指等粗糙皮膚處汗腺發達、表麵凹凸不平，而胸口、前臂和大腿則汗腺較少、更為(wei) 平滑。

與(yu) 玻璃接觸後，“粗糙皮膚”接觸麵的濕度很快穩定在一個(ge) 值；而“平滑皮膚”雖然汗腺更少，卻源源不斷地分泌著汗液，導致接觸表麵的濕度持續攀升。

不同部位皮膚濕度隨時間的變化。氪羅鋇路斯譯。 [4]

接下來的摩擦力測量表明，指尖濕度穩定時，手指與(yu) 玻璃間的摩擦力也達到了最大。

這些實驗結果就可以幫助我們(men) 理解出汗為(wei) 什麽(me) 能夠增加摩擦了：指尖上的汗腺分布在指紋的隆起處，當指尖與(yu) 其它光滑表麵接觸時，汗腺分泌的汗液導致手指與(yu) 接觸表麵貼合更緊。緊密貼合反過來阻塞了汗腺，讓它無法繼續分泌。通過這種濕度平衡調控，手指完美達成了摩擦最大化。

換句話說，指紋上的紋路與(yu) 汗腺一起，通過默契配合，增加了手指對光滑物體(ti) 的摩擦力。

指紋上的精密儀(yi) 器

講到這裏，不知道你有沒有發現一個(ge) 的漏洞：幹燥情況下，適量“出汗”能夠幫助我們(men) 更好地抓握物體(ti) ，那如果手上的汗液本來就很多了呢？難道黃曆上整個(ge) 夏天都寫(xie) 著“忌玩手機”？

放心，指紋已經安排好了一切。

研究人員還測量了不同身體(ti) 部位與(yu) 濕潤有機玻璃接觸時的濕度與(yu) 摩擦係數變化。

他們(men) 先用一滴液體(ti) 打濕玻璃，然後讓“平滑皮膚”接觸玻璃，發現接觸位置的濕度在幾分鍾之內(nei) 都沒有發生變化。

然後，他們(men) 又用手指接觸濕潤玻璃，結果接觸位置的濕度快速下降，一分鍾之內(nei) 又達到了一個(ge) 穩定值！

與(yu) 幹燥有機玻璃的實驗對比之後，研究人員發現，不管初始條件是濕潤還是幹燥，手指接觸點的濕度都可以在短時間內(nei) 達到同一穩定值。處在這個(ge) 濕度時，摩擦力達到了最大。

不同部位濕度和摩擦係數隨時間的變化。氪羅鋇路斯譯。 [4]

指紋上的超高密度汗腺可以使濕度快速增加，那濕潤條件下，液體(ti) 的飛速蒸發又是怎麽(me) 做到的呢？

答案就藏在指紋的溝壑裏。指紋的溝壑像一條條排水管道，可以通過毛細作用快速排出多餘(yu) 的水分。

研究者繪製的手指-玻璃接觸麵濕度調控示意圖。氪羅鋇路斯譯。 [4]

這樣一來，手指就像一套高效的濕度控製係統，通過汗腺的開關(guan) 和指紋的配合，既能在幹燥的時候及時增加濕度，從(cong) 而增加手指摩擦力；又能夠防止汗液積累過多，造成“手滑”。

雖然指紋確實能夠“增加摩擦力”，但增加摩擦力的方法是不是比你想象得還要炫酷呢？

參考文獻

[1] Warman, Peter H., and A. Roland Ennos. "Fingerprints are unlikely to increase the friction of primate fingerpads." Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): 2016-2022.

[2] Adams, Michael J., et al. "Finger pad friction and its role in grip and touch." Journal of The Royal Society Interface 10.80 (2013): 20120467.

[3] Taylor, Nigel AS, and Christiano A. Machado-Moreira. "Regional variations in transepidermal water loss, eccrine sweat gland density, sweat secretion rates and electrolyte composition in resting and exercising humans." Extreme physiology & medicine 2.1 (2013): 4.

[4] Yum, Seoung-Mok, et al. "Fingerprint ridges allow primates to regulate grip." Proceedings of the National Academy of Sciences 117.50 (2020): 31665-31673.

[5] Adelman, Steven, C. RICHARD Taylor, and NORMAN C. Heglund. "Sweating on paws and palms: what is its function?." American Journal of Physiology-Legacy Content 229.5 (1975): 1400-1402.

[6] Knight, Kathryn. "Fingerprints Don't increase Friction." Journal of Experimental Biology 212.13 (2009): i-i.

作者：氪羅鋇路斯

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