Gecko-bånd, der giver slip

Gekkofødder har længe været en inspirationskilde for forskere, der stræber efter at lave superstærke, genanvendelige klæbemidler. Nu har forskere ved Carnegie Mellon University fundet en ny måde at lave et sådant klæbende greb og frigøre efter behov ved hjælp af vinklede mikrostrukturer. Disse strukturer efterligner spidserne af hårene, der findes på gekkotæer, som giver firbenet dens dygtighed som klatrer.

Klæbekraft: Disse vinklede spidser, omkring 40 mikrometer i diameter, giver den samme kontrollerede klæbekraft som en gekkos tæer.

Gecko-lignende klæbemidler har allerede vist sig lovende som et bindemiddel til kirurgiske anvendelser. Nogle forskere mener, at gekkoens særlige evne også kan være nøglen til at skabe pålidelige klatrerobotter til rekognosceringsmissioner og rumudforskning.

En gekkos tæer har millioner af meget små hår pakket tæt sammen. For enden af ​​hvert hår er hundredvis af bittesmå, tallerkenlignende strukturer, kaldet spatel. Svage tiltrækningskræfter, kendt som van der Waals-kræfter, holder hver spatel til overfladen af ​​det objekt, som en gekko forsøger at forcere. Når kræfterne fra millioner af spatel arbejder sammen, skaber de et kraftfuldt bånd, der lader en gekko klæbe til næsten alt – selv på hovedet.

Tilbage i 2006 var holdet, ledet af Metin Sitti , en assisterende professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon, udviklede flade, svampeformede spidser, der efterligner spatelen. Spidserne var i stand til at opnå den samme klæbekraft som en gekko, men der var ingen nem måde at få disse tip til at slippe deres greb på. Holdet indså senere, at nøglen til at kontrollere klæbrighed lå i at ændre vinklen på spatelen. Så Sittis team tog spidserne og placerede dem oven på polymerfibre og vinklede dem i cirka 28 grader for at efterligne vinklen mellem et gekkohår og en spatel. Når der påføres tryk i retning af de vinklede fibre, øges kontaktområdet mellem hver spatel og objektet, hvilket øger klæbeevnen. Hvis man trækker i den modsatte retning, reduceres kontaktarealet og tiltrækningskræfterne mindskes, så gekkotape, som Sitti kalder det, kan udløses. Gruppens klæbemiddel var i stand til at holde en vægt på et kilo, når der blev påført tryk i retning af de vinklede fibre. En vægt på 300 gram, der trækker i den modsatte retning, var nok til at frigøre båndets greb. Forskerne detaljerede deres resultater i et nyligt nummer af Lille .

Kontrollerbar klæbrighed: På det første billede holder den vinklede polymerfiber en vægt på et kilo i én retning. Det andet billede viser, hvordan en vægt på 300 gram, der trækker i en anden retning, får bindingerne til at bryde.

Klæbemidlet vil muliggøre mere robuste og strømeffektive klatrerobotter og kapselrobotter, siger Sitti, der udvikler begge i sit laboratorium.

Andre forskere har været i stand til at opnå en klæbekraft, der er langt større end en gekko ved at bruge kulstof-nanorør. Mens stivere nanorørfibre stærkt kan holde på en væg, har de sværere ved at hænge fra et loft, siger Sitti og tilføjer, at hans klæbemiddel kunne holde 500 gram fra loftet. En anden stor fordel ved de polymerfibre, som Sitti bruger, er, at de er let skalerbare i fremstillingen og omkostningseffektive, siger han.

Sitti kommercialiserer nu disse vinklede polymerfibre til brug i sportsudstyr og hudklæbemidler gennem sin startup, nanoGriptech.

Designet på spidsen er interessant, siger Liming Dai, professor i materialeteknik ved University of Dayton, som brugte kulstofnanorør til at opnå en kraft, der er 10 gange stærkere end gekkofødder. Den ene ting med polymerer er, at du nemt kan lave den i nanofabrikationer til spidsen. Desuden er det billigt.

Det er klart innovativt arbejde, siger Jeffrey Karp , en bioingeniør i Harvard-MIT Division of Health Sciences, som skabte engangsbrug, sikker medicinsk gekkotape. Det vil være interessant at se, om denne proces kan skaleres til industrielle applikationer, eller om klæbemidlerne fungerer bedre under våde forhold - en væsentlig begrænsning for mange af de gekko-efterlignende klæbemidler.

Sitti fortæller, at hans gruppe planlægger at belægge de svampeformede spidser med materialer for at få dem til også at fungere i vand. Dette kan være vigtigt for medicinske anvendelser: Det kan sikre, at lægemiddelplastre for eksempel ikke glider af, når huden bliver svedig, siger Sitti.

Andre udfordringer er tilbage. I øjeblikket holder spidserne kun et par timer, før de slipper deres greb. Ali Dhinojwala , en professor ved University of Akron, som også arbejder med gekko-inspirerede vedhæftninger, siger, at klæbemidlet ideelt set vil være selvrensende, så det kan bruges igen og igen.

skjule