Sticky Science: Gecko Toes Schlüssel Zum Klebstoff, Der Seine Klebrigkeit Nicht Verliert
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Video: How do geckos defy gravity? - Eleanor Nelsen 2022, Dezember
Anonim

U.C. Berkeley-Forscher testen künstliche Mikrofasern, die diejenigen nachahmen, mit denen ein Gecko an nassen Oberflächen haftet.

Auf den ersten Blick scheint es, dass ein wandkriechender Roboter und ein Gecko nicht viel gemeinsam haben. Das heißt, bis Sie genau hinschauen, wie jedes an der Oberfläche haftet, auf der es klettert, mit Tausenden von winzigen Haaren, die sich anbringen und ablösen, um der Schwerkraft zu trotzen.

Der größte Unterschied besteht darin, dass sich die winzigen Eidechsen seit Millionen von Jahren auf diese Weise bewegen, während Forscher erst seit einem Jahrzehnt versuchen, dieses natürliche Phänomen in ihren mechanischen Kreationen nachzuahmen. Forscher der University of California in Berkeley berichteten letzten Monat online in Langmuir, einer Zeitschrift der American Chemical Society, über den jüngsten Erfolg auf diesem Gebiet der Bio-Nachahmung mit der Schaffung eines Klebstoffs, der mit haarartigen Mikrofasern besetzt ist, die sich selbst von Schmutz reinigen Sie bewegen sich entlang einer Oberfläche.

Ein solcher Klebstoff könnte, wenn er auf die Reifen eines All-Terrain-Roboters aufgetragen wird, dazu führen, dass er Wände und Decken hochhüpft, möglicherweise auf der Suche nach Überlebenden nach einer Katastrophe, sagt Ron Fearing, ein U.C. Berkeley Professor für Elektrotechnik und Informatik und Leiter des Forschungsteams, das das neue Material entwickelt. "Der Gecko ist eine der größten Kreaturen, die an einer Oberfläche haften und sich sehr schnell bewegen können", sagt er. "Dazu wird der Klebstoff ein- und ausgeschaltet."

Jeder Gecko-Zeh - sie haben fünf pro Fuß - enthält Tausende von Mikrohaaren, die laut Fearing im Allgemeinen 100 Mikrometer lang und fünf Mikrometer im Durchmesser sind. (Ein Mikron ist ungefähr vierhunderttausendstel Zoll groß.) Die Fähigkeit des Mikrohaars, zu haften, beruht auf dem Berühren, Ziehen und Beißen in eine Oberfläche, anstatt gegen sie zu drücken (wie es ein Stück Klebeband tun würde). Da sich das Haar in einem Winkel am Zeh des Geckos befindet, fängt es an einer Oberfläche an, wenn es in eine Richtung bewegt wird, kann jedoch von dieser Oberfläche befreit werden, wenn es in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird. "Im Nachhinein macht es großen Sinn", fügt er hinzu. "Seine Füße sollten nur kleben, wenn sie es wollen."

Während die Haare an den Zehen eines Geckos aus dem Protein Keratin (einem Hauptbestandteil von menschlichem Haar, Haut und Nägeln) bestehen, haben Fearing und sein Team ihre Haare aus einem Polypropylenpolymer hergestellt. Dies gab ihnen genug Härte, um auf einem 0,4 mal 0,8 Zoll (ein mal zwei Zentimeter) großen Stück weißen Kunststoffs zusammengepackt zu werden, den sie entworfen hatten, um den Zeh eines Geckos zu simulieren. Sie befestigten den Plastikstreifen an einem Stück Glas, das in vertikaler Position gehalten wurde, und befestigten dann ein kleines Gewicht an dem Pflaster. Nachdem das maximale Gewicht, das das Pflaster halten kann, aufgezeichnet wurde, bevor es abrutschte, befestigten die Forscher das Pflaster wieder und fügten mehr Gewicht hinzu. "Nach jedem Test steigt die Belastung allmählich an, was aufrechterhalten werden kann, was zeigt, dass die kontaminierenden Partikel entfernt werden", sagt Fearing. Ziel ist es, einen Klebstoff zu schaffen, der eine ähnliche Haftung wie Geckos aufweist und einer Kraft von etwa 64,5 Newton pro Quadratzoll (10 Newton pro Quadratzentimeter) standhält.

Die Forscher erhöhten den Einsatz während ihrer Experimente, indem sie mikroskopisch kleine Trümmer auf die Glasoberfläche streuten, auf der der künstliche Gecko-Zeh steckte. Dies wurde durchgeführt, um zu untersuchen, wie gut die synthetischen Haare Schmutz ablösen und ihre Haftung behalten konnten, wenn sie sich ablösten und wieder an der Oberfläche befestigten. Mit jedem simulierten Schritt, der eine Kraft ähnlich der eines Geckos erzeugen soll, fiel eine zunehmende Anzahl von Partikeln ab. Nach 30 simulierten Schritten ließ der Klebstoff etwa 60 Prozent der Partikel fallen, die er beim "Gehen" gesammelt hatte.

Herkömmliche Klebebänder werden schnell mit den Partikeln kontaminiert, die sie berühren, und werfen die meisten dieser Partikel nicht ab, wenn das Klebeband entfernt wird. Dies bedeutet, dass weniger Klebstoff verfügbar ist, wenn das Klebeband wiederverwendet wird.

Die Arbeit bei U.C. Berkeley, das in den letzten zehn Jahren von Regierungsorganisationen wie der National Science Foundation und der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) mit 2 Millionen US-Dollar finanziert wurde, baut auf der Forschung von Kellar Autumn auf, einem assoziierten Biologieprofessor am Lewis & Clark College in Portland, Oregon., der feststellte, dass ein Gecko seine Füße klebrig, aber sauber hält, indem er bei jedem Schritt Schmutzpartikel abwirft. Andere Forschungen in diesem Bereich gehen auf das Jahr 2003 in England zurück, als Wissenschaftler der Universität Manchester einen Prototyp eines Klebstoffs mit einer Reihe von mikrofabrizierten Polyimidhaaren, die an einer flexiblen Basis befestigt waren, mit einem Quadratkilometer (0,155 Quadratzoll) entwickelten.

Die Forscher versuchen nun, die Fähigkeit ihres Klebstoffs zu testen, auf rauen Oberflächen zu haften, auf denen weniger Haare Kontakt aufnehmen können. Eine mögliche Lösung hierfür wäre, synthetische Haare mit noch winzigeren Fasern zu erzeugen, die in verschiedenen Richtungen aus den Haarspitzen herausragen und jedem Haar mehr Biss in die unebene Oberfläche geben. Fearing und seine Kollegen werden bis Ende des Jahres daran arbeiten.

Wiederverwendbare Klebstoffe bieten nicht nur Traktion für Roboter, sondern finden auch eine Reihe praktischer Anwendungen in Büroartikeln, Kleidung und sogar tragbaren Prothesen. Zum Beispiel könnten Bilderrahmen ohne Nägel oder Kleber an einer Wand befestigt und später bewegt werden, ohne Löcher oder klebrige Rückstände an der Wand zu hinterlassen. "Schau dir einen Schuh an", fügt Fearing hinzu. "Was ist mit etwas, das verhindert, dass es auf einer nassen Fliese rutscht? Geckos laufen auf nassen Blättern und können sogar unter Wasser an Oberflächen haften."

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