No Image

Лапки геккона

253 просмотров
10 марта 2020

Тропические ящерицы гекконы обладают уникальным строением лапок, которое позволяет им бегать по стенам и потолкам из любого материала так же легко, как по поверхности земли. Цель программы Z-man агентства DARPA — создать альпинистское оборудование, основанное на тех же принципах, по которым работает лапка геккона. 5 июня DARPA доложило о первом значительном успехе этой программы — человек, чья масса вместе с полезным грузом составила 122 кг, поднялся и спустился по отвесной стеклянной стене высотой 7,6 метра. Для военных эта технология ценна тем, что значительно расширяет возможности солдат, особенно в условиях городского боя. В мирной жизни всё разнообразие применений такого «суперскотча», который намертво прилипает к любой поверхности и в то же время легко отрывается, не оставляя следов, трудно даже вообразить.

Учёные очень долго не могли раскрыть секрет гекконов. На их лапках нет ни желёз, вырабатывающих клейкие вещества, ни присосок, ни коготков. Они свободно бегают как по шершавым, так и по абсолютно гладким поверхностям. Они легко удерживают вес всего своего тела на одной лапке. Геккон может прилеплять и отлеплять лапку до 15 раз в секунду.

Как работает лапка геккона? Её поверхность покрыта множеством складок, на каждой из которых есть множество тончайших щетинок длиной в 0,1 мм, а на конце каждой щетинки есть несколько сотен ответвлений, каждое из которых заканчивается треугольной лопаточкой всего в 200 нм шириной. Миллиарды этих лопаточек прилегают к поверхности, по которой бежит геккон, настолько близко, что между ними начинают действовать Ван-дер-Ваальсовы силы межмолекулярного притяжения. Они проявляются лишь при близком контакте и в обычных условиях пренебрежимо малы. Уникальное строение лапок геккона на много порядков увеличивает площадь близкого контакта с поверхностью. Щетинки и лопаточки геккона устроены так, что, потянув их под определённым углом, можно легко оторвать их от поверхности. В остальных направлениях они остаются прочно прилипшими к ней.

Попытки создать искусственный аналог лапки геккона предпринимаются довольно давно. Несколько лет назад был разработан робот Stickybot, использующий этот принцип. Так же во многих лабораториях мира разрабатывают "гекконовый скотч", который может нести весьма большой вес. Сложность создания альпинистского оборудования состоит в том, что оно должно одновременно держать большие нагрузки (вес типичного геккона не превышает 100-200 грамм, на три порядка меньше веса альпиниста с грузом) и при этом, в отличие от скотча, выдерживать много циклов прилепления-отлепления без заметного ухудшения характеристик. Именно такого результата удалось добиться учёным из Кембриджской лаборатории Дрейпера, которая ведёт эту разработку по заказу DARPA.

Александр Леонтьев,
кандидат химических наук
«Наука и жизнь» №3, 2012

Природа так обо всём позаботилась, что повсюду
ты находишь, чему учиться.
Леонардо да Винчи

Людям свойственно стремление подражать природе и учиться у неё. Тому есть множество примеров из разных эпох — от восковых крыльев Икара, чешуйчатых доспехов римских легионеров или летательных машин Леонардо да Винчи до современных застёжек-липучек, работающих по принципу прилипания колючек репейника, которые позволяют быстро застегнуть куртку или кроссовки.

Существует даже целый раздел науки — биомиметика (от греч. bios, что значит «жизнь», и mimesis — имитировать, подражать). Биомиметика занимается созданием материалов, технологий, процессов и устройств, в основе работы которых использованы идеи, заимствованные у природы.

На протяжении более 100 лет учёные пытались понять механизм прилипания, а по-научному — адгезии (от лат. adhaesio — прилипание), миллиона ворсинок, расположенных на лапках гекконов, к любой поверхности, по которой перемещаются эти ящерки. Прежде считали, что их удерживают капиллярные силы и силы, возникающие при поляризации поверхности и ворсинок от трения. И лишь в начале XXI века появились первые экспериментальные доказательства того, что гекконов прочно удерживают даже на гладком и скользком оконном стекле вандерваальсовы силы. Щетинки совершенно не смачиваются водой, но одинаково эффективно прилипают и к несмачиваемой, и к влажной поверхности. Учёные доказали, что важны не химические свойства поверхности, а лишь форма и размер контактирующих с поверхностью окончаний ворсинок. Опираясь на эти знания, они смогли воссоздать «эффект геккона» с помощью синтетических материалов.

Бурное развитие нанотехнологий в последние десятилетия послужило толчком к тому, что биомиметика занялась созданием уникальных материалов. Благодаря новым возможностям электронной микроскопии и прогрессу в области получения и производства наноструктур, у учёных наконец-то появилась возможность воспроизводить с той или иной долей приближения строение, а значит, и свойства некоторых природных материалов, обладающих полезными, а зачастую и уникальными характеристиками.

Читайте также:  Почему креветки красные а не оранжевые

История «гекко-скотча» — от кусочка липкой ленты, созданной в лаборатории, до готовой бесклеевой ленты с поразительными адгезионными свойствами — один из многих успешных примеров биомиметического подхода в материаловедении.

Создатель «гекко-скотча» лауреат Нобелевской премии в области физики за 2010 год Андрей Гейм известен как первооткрыватель графена и человек, заставивший живых лягушек левитировать («парить» в воздухе) в магнитном поле. В 2003 году Гейм изобрёл бесклеевую липкую ленту, воспроизводящую на микроуровне поверхность лапок геккона.

А началась эта история тремя годами раньше, когда группа американских исследователей раскрыла секрет этих тропических ящериц. Оказалось, что способность гекконов (за исключением нескольких подвидов) без труда карабкаться по гладким вертикальным поверхностям и не падать с потолка связана со строением подошв их лапок, сплошь покрытых мельчайшими, толщиной в 1/10 человеческого волоса, ворсинками. За счёт вандерваальсового взаимодействия сила сцепления с поверхностью каждой из этих ворсинок равна приблизительно 10 -7 Н. Но, поскольку каждый квадратный миллиметр поверхности лапок покрывают более пяти тысяч таких волосков, суммарная сила адгезии составила в условиях эксперимента 10 Н/см 2 — это приблизительно 1 кг нагрузки. Теоретически же, задействовав все свои ворсинки, 50-граммовые гекконы способны удержать на отвесной стене двух взрослых людей.

Ян Ван-дер-Ваальс (1837–1923) — голландский физик. Родился в семье плотника, работал школьным учителем. В 1869 году сделал открытие — описал, как взаимодействуют между собой молекулы вещества. Впоследствии учёные стали называть обнаруженные им физические силы, возникающие при взаимодействии молекул, вандерваальсовыми силами. Физик изучал поведение молекул в газообразных, твёрдых и жидких веществах, сделал ряд значительных открытий в области теоретической молекулярной физики. В 1877 году Ван-дер-Ваальс был приглашён на должность профессора в Амстердамский университет, а в 1910 году удостоен Нобелевской премии по физике.

Чтобы воспроизвести ворсистую поверхность лапок геккона, Андрей Гейм с коллегами применили метод электронно-лучевой литографии, создав полиимидную полимерную плёнку с такой же микроструктурой. Согласно полученным данным, чтобы оторвать от гладкого стекла образец плёнки размером 1×1 см, требуется усилие около 3 Н. И хотя это втрое меньше, чем сила адгезии, развиваемая лапками геккона, всего 200 см 2 такого «гекко-скотча» (размер половины школьной тетради) будет достаточно, чтобы удержать на весу взрослого человека. Однако такую «клейкую» ленту можно было использовать ограниченное число раз, поскольку микроскопические полимерные волоски разрушались в процессе прилипания—отлипания.

Читайте также:  Реакция на раздражение жгутиковых

В дальнейшем Гейм и его сотрудники не принимали участия в поисках новых адгезивных материалов, основанных на «эффекте геккона». Между тем другие исследовательские коллективы в разных концах света за довольно короткий срок изобрели свои варианты «гекко-скотча». Наиболее успешной оказалась, пожалуй, силиконовая плёнка Gecko Nаnoplast. Обладая плотностью микроворсинок 29 000 шт./см 2 , такой «гекко-скотч» обеспечивает надёжное многократное «сухое» прилипание как к гладким, так и к шероховатым поверхностям. Его поразительные адгезионные свойства демонстрирует фото ниже. Разработали эту плёнку в Германии группа профессора С. Горба из Института зоологии при университете им. Х. Альбрехта (г. Киль) совместно с компанией Gottlieb Binder. Весной 2011 года Gecko Nаnoplast в категории «новый продукт» завоевал золотую медаль престижного международного конкурса промышленного дизайна.

Удивительные способности гекконов послужили источником вдохновения не только для разработчиков новых материалов, но и для специалистов в области робототехники. С появлением «гекко-скотча» перед ними открылись новые возможности в создании роботов-скалолазов, использующих для карабканья по отвесным стенам тот же принцип, что и их собратья в живой природе. Например, учёные из университета Кейз вестeрн резерв в США, создавая своего робота, применили Gecko Nаnoplast С. Горба.

Об особенностях лапок геккона и конечностей других животных см. «Наука и жизнь» №11, 2007 г.

Для размещения материала в данном разделе заполните пожалуйста эту форму.

  • Вакансии Добавить вакансию
  • Резюме Добавить резюме

Умные материалы: имитация лапок геккона / 22.04.2008

Перевод: Максим Щербина

Ученые с давних пор восхищались «антигравитационной» способностью ступней гекконов, поэтому целый ряд команд в мире пытается использовать их, как образец для создания адгезивных материалов. На сегодняшний день наилучший искусственный материал, мимицирующий волоски с лапок геккона, которые позволяют этой небольшой ящерице бегать по отвесным стенам и потолкам, создали в Берклеевском Университете Калифорнии. Исследователи говорят, что такой материал можно использовать при создании небольших роботов, способных взбираться по стенам.

Геккон. Фото с сайта reptile.fisek.com.tr

Используя реплики с миллионов волосков, покрывающих лапки геккона, они смогли поместить 42 миллиона микроволокна на каждый квадратный сантиметр поверхности полученной ткани и нагружали ее различным весом. Оказалось, что два квадратных сантиметра материала этой ткани на гладкой, частой, вертикальной поверхности могут удерживать до 400 граммов дополнительного веса. В то же самое время, легко возвращается в первоначальное состояние без остаточного удлинения.

Рон Фиринг (Ron Fearing), профессор электротехники и вычислительных наук в Берклеевском Университете, глава группы, разработавшей новый материал, отметил, что другие исследования сфокусированы на величине адгезии, однако важной для практического использования материала является как легкость присоединения, так и простота его отрыва. Особенность новой разработки заключается в том, что она «прилипает» только когда ткань скользит по гладкой поверхности, но не когда ее прижимают.

Читайте также:  Как отличить сига от пеляди

«Эта разница критична: двигаясь вверх, вряд ли можно позволить себе тратить много энергии, прикладывая давление к поверхности и прижимаясь тем самым к ней,» подчеркивает Фиринг. Использование силы для приклеивания к поверхности приводит к необходимости прикладывать силу для отрыва от нее. Геккон, бегущий вверх, может прикладывать и отрывать лапки от поверхности до двадцати раз в секунду, поэтому он бы очень устал, если бы ему каждый раз приходилось прикладывать усилие, отрываться от поверхности».

Адгезивный материал, имитирующий работу волосков на лапках геккона, способный выдерживать существенную дополнительную нагрузку. Ее увеличение приводит к увеличению площади контакта адгезива с поверхностью и вовлечению в работу большего количества микроволокон. При снятии нагрузки волокна выпрямляются, и полоска ткани легко отделяется от поверхности. Рисунок предоставлен: Дж. Ли, Р.С. Фиринг, Берклеевский Университет Калифорнии.

Микроволокна, изготовленные из полипропилена, обладают длиной в 20 мкм (одна пятая толщины бумажного листа) и диаметром 0.6 мкм (сотая часть диаметра человеческого волоса). Структура разработанного материала похожа на структуру микроволокон, полученных той же группой в 2006 г , однако тогда для прилипания материала требовалось приложение перпендикулярной силы. Изменения в полимерной подложке позволили получить направленную адгезию и прилипание к вертикальным поверхностям.

«Для геккона эта кажущаяся мизерной разница стала бы вопросом жизни и смерти», говорит Фиринг. Испытывая только трение, геккон упал бы с отвесной поверхности или с потолка, однако с помощью направленной адгезии геккон способен остановить падение, так как ее механизм не требует приложения перпендикулярной к поверхности силы.

Келлар Отам, адъюнкт-профессор биологии в Портлендском Колледже Льюиса и Кларка, которого считают одним из основных экспертов по движеию гекконов, считает, что это большой прорыв в создании адгезивных материалов. Материал Фиринга изготовлен из очень жесткого полимера, такого же, как и естественный белок геккона. Поэтому он прилипает только при взаимном скольжении, а не при прикосновении к нему.

Фиринг и его коллеги работают рамках Междисциплинарной Команды Исследователей Nanoscale (Nanoscale Interdisciplinary Research Team), финансируемой Национальным Научным Фондом (National Science Foundation), перед которой в 2003 году была поставлена задача изготовления синтетического адгезтвного материала, имитирующего работу волосков на лапках геккона. В 2000 г . Фиринг вместе с Робертом Фуллом (Берклеевский Университет), Келларом Отамом (Колледж Льюиса и Кларка) и Томасом Кенни (Стэнфордский Университет) в своем первом исследовании открыли принцип прилипания гекконов к поверхности: действие межмолекулярных ван-дер-Ваальсовых сил, которые остаются чрезвычайно слабыми до тех пор, пока поверхности не войдут в чрезвычайно тесный контакт друг с другом. Через два года члены той же команды синтезировали первые волокна, имитирующие волоски с лапок геккона и способные прилипать к поверхности. Этот результат стал первым прямым экспериментальным подтверждением гипотезы о ван-дер-Ваальсовом механизме адгезии гекконов.

Комментировать
253 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Животные
0 комментариев
No Image Животные
0 комментариев
No Image Животные
0 комментариев