Демонстрируется адгезив, на создание которого исследователей вдохновил геккон: увеличение поддерживаемой массы увеличивает площадь контактирующей поверхности (светлая область около верхней части полосы).

Новое адгезивное вещество, препятствующее скольжению, которое было разработано инженерами Университета Калифорнии, Беркли,  возможно, является тем рукотворным материалом, который в наибольшей степени копирует свойства замечательных волосков на лапах геккона, позволяющих этой маленькой ящерице носиться по вертикальным поверхностям и потолкам.

Исследователи говорят, что когда-нибудь можно будет использовать этот адгезивный материал при создании небольшого робота, способного перемещаться по стенам.

Идею создания адгезива подсказал принцип действия миллионов волосков, которые покрывают лапы геккона: исследователи разместили 42 миллиона микроволокон из жесткой пластмассы в каждом квадратном сантиметре материала, и создавали различную нагрузку. Им удалось установить, что на гладкой и чистой вертикальной поверхности на двух квадратных сантиметрах синтетический адгезив способен удержать 400 граммов (0.88 фунта). В то же время адгезив легко отсоединяется от поверхности с минимальным усилием и без всякого остатка.

Ученые уже давно восхищались подвигами геккона, которые способен противостоять всемирному тяготению, и целый ряд исследовательских коллективов по всему миру работает над тем, чтобы создать аналоги адгезивных способностей геккона. Рон Фиаринг, профессор из Беркли в области электротехники и теории вычислительных систем, а также глава исследовательского коллектива, который занимается разработкой нового материала, отмечает, что в предшествующих исследованиях адгезивов, имитирующих геккона, основное внимание уделялось прочности адгезии. Он считает, что простота сцепления и отсоединения не менее важный фактор при разработке материала, который может быть использован для практического перемещения по вертикальным стенам и потолкам.

Этот новый адгезив, на разработку которого ученых вдохновили возможности геккона, отличается от прочих, созданных ранее подобных разработок тем, что он действует в определенном направлении, он «прилипает» только, когда скользит по гладкой поверхности, а не тогда, когда его прижимают к поверхности.

“Это отличие имеет решающее значение, поскольку, если Вы карабкаетесь на вертикальную поверхность, Вы не можете себе позволить тратить много энергии на то, чтобы прижиматься к поверхности, чтобы вызвать прилипание”, - говорит Фиаринг. - “При использовании усилия на приклеивание, также необходимо усилие на отсоединение. Геккон, который бежит вверх, способен присоединить и отсоединить свои лапы 20 раз за одну секунд, и он бы очень уставал, если бы ему пришлось трудиться в поте лица на каждом шагу, стараясь оторвать лапы от поверхности”.

Микроволокна, созданные из полипропилена, имеют 20 микронов в длину, что составляет одну пятую часть толщины листа бумаги, и диаметр 0.6 микрона, что составляет сотую долю диаметра человеческого волоса.

Структура адгезива аналогична структуре микроволоконной матрицы, разработанной той же группой в 2006 г. Тот материал функционировал за счет использования трения, однако, для того, чтобы осуществить прилипание, требовалось приложение усилия. Изменения, внесенные в пластмассовую основу позволили получить направленную адгезию, о которой рассказывалось выше, для того, чтобы адгезив мог работать на действительно вертикальных поверхностях.

“Для геккона это, казалось бы, небольшое изменение может означать разницу между жизнью и смертью”, - говорит Фиаринг. - “Передвигаясь только за счет использования трения, геккон бы падал со стен и потолков. При направленной адгезии геккон может не давать себе падать, поскольку этот механизм работает без необходимости прикладывать силу, перпендикулярную поверхности”.

Это новое исследование описано в нескольких работах, опубликованных онлайн 23 января в Journal of the Royal Society Interface. В возглавляемый Фиарингом исследовательский коллектив в Беркли входят Джонго Ли, аспирант, работающий в области инженерной механики, и Брайан Шуберт, аспирант, работающий в области электротехники и теории вычислительных систем. Соавтором является и Кармел Маджиди, который ранее был аспирантом Беркли, а сейчас проводит исследования в Принстонском университете после получения докторской степени.

Вид сбоку полипропиленовой микроволоконной структуры.

“Это крупное достижение в новой области создания адгезивов, имитирующих лапы геккона”,- говорит Келлар Отамн, доцент биологии в колледже Льюиса и Кларка в Орегоне, который считается одним из ведущих экспертов в стране по передвижению геккона, и который не был соавтором этой последней работы. “Белковый адгезив Фиаринга, имитирующий геккона, создан из очень твердой пластмассы; она даже не липкая на ощупь. Кроме того, точно так же, как это происходит с волосками на лапах живого геккона, микроволоконные структуры Фиаринга прилипают только тогда, когда они скользят по поверхности. Это может оказаться действительно первой настоящей имитирующей геккона пленкой”.

Коллектив Фиаринга входит в состав Междисциплинарного исследовательского коллектива по наноразмерным проблемам, который работает при поддержке Национального научного фонда, и перед которым в 2003 г. специально была поставлена задача разработать синтетические адгезивные материалы, которые могли бы функционировать как волоски на лапах геккона.

В 2000 г. Фиаринг работал совместно с биологами Робертом Фуллом из Беркли и Отамном из Льюис и Кларк, а также инженером Томасом Кенни из Стэнфордского университета. Было проведено первое исследование, которое позволило выявить секрет адгезии лап геккона: межмолекулярные силы Ван дер Вальса, которые остаются слабыми до тех пор, пока поверхности не окажутся в непосредственной близости друг от друга. Два года спустя члены того же коллектива синтезировали кончики волосков геккона, которые прилипали, что стало первым экспериментальным подтверждением идеи о механизме действия сил Ван дер Вальса при реализации адгезии с помощью волосков на лапах геккона.

Не только каждый сустав лапы геккона покрыт миллионами крошечных волосков, эти волоски еще и расщеплены на концах в миллиарды наноразмерных лопаточек. Силы Ван дер Вальса начинают функционировать, когда эти лопаточки вступают в контакт с поверхностью.

Этот новый материал является в то же время примером “умного адгезива”, который повышает свою прочность по мере использования, рассказывает Фиаринг, который также работает в Центре исследований по информационным технологиям в интересах общества в Беркли. “При увеличении массы все больше микроволокон автоматически сгибается и начинает функционировать. Когда нагрузка исчезает, микроволокна отсоединяются. Это позволяет осуществлять управляемое присоединение и отсоединение, что является значительной инновацией для получения извлечения и утилизации для повторного использования. Это впервые было продемонстрировано с использованием твердой микроволоконной структуры”.

Еще одним преимуществом, которое дает использование твердого полимера, является то, что, по сравнению с более мягкими пластмассами, эти волокна менее склонны собирать грязь после многократного использования. До сих пор новый адгезив использовался только на гладких и чистых поверхностях. По словам Фиаринга, следующим этапом исследований станет разработка материала, способного прилипать к шероховатым поверхностям, которые являются самоочищающимися.

www.polymery.ru