Инструменты пользователя

Инструменты сайта


Боковая панель

2016:04:05:гекко-скотч

Гекко-скотч

На протяжении многих лет ученые пытались разгадать механизм прилипания, или по-научному адгезии (от лат. adhaesio – прилипание), миллионов щетинок, расположенных на лапках гекконов, к поверхности, по которой они перемещаются. Прежде считали, что их удерживают капиллярные силы и силы, возникающие при электрической 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 ван-дер-ваальсовы силы. Щетинки абсолютно не смачиваются водой, но одинаково эффективно прилипают и к несмачиваемой (гидрофобной), и к смачиваемой (гидрофильной) поверхности. Ученые доказали, что для успешного прикрепления геккона к поверхности абсолютно не важны ее химические свойства. Определяющее значение имеют лишь форма и размер контактирующих с поверхностью частей ворсинок. Опираясь на эти знания, они смогли повторить «эффект геккона» в синтетических материалах. А из них, в свою очередь, создать массу полезных вещей.

Полезные изобретения, с использованием гекко-скотча

Так, например, стало возможным появление наноковрика для телефона, позволяющего разместить мобильный телефона практически на любой поверхности. Все этапы изготовления такого наноковрика – от адгезивной пленки, сделанной в лаборатории, до готового коврика-держателя с уникальными противоскользящими возможностями – только один из примеров прорыва в науке с использованием технологий, которые человек подглядел в природе.

Строение лапок геккона – электронные микрофотографии

Биологические особенности строения лап геккона

На пальцах геккона есть сотни клапанообразных ребер, которые называются ламелями. На каждом таком ребре располагаются миллионы ворсинок. Эти ворсинки в 10 раз тоньше человеческого волоса. Под микроскопом можно увидеть, что каждая такая ворсинка подразделяется на более мелкие нити, которые называют спатулами. Это делает их похожими на секущиеся волосы. Спатулы настолько крошечные (около 200 нм), что они могут взаимодействовать с молекулами поверхности, по которой геккон перемещается. Взаимодействие между молекулами спатул геккона и молекулами поверхности, в свою очередь, порождает молекулярное взаимодействие, называемое ван-дер-ваальсовыми силами. Геккон, когда висит на стене, способен держать весь свой вес на одной лапе, прижав ее к поверхности, а затем легко ее отсоединить. Благодаря ван-дер-ваальсовым взаимодействиям сила сцепления каждой спатулы с гладкой поверхностью равна примерно 10 в минус 7-ой степени Ньютон. Поскольку на каждый кв.мм поверхности лапок геккона приходится более 5 тыс. ворсинок, суммарная сила адгезии, по расчетам физиков, равна примерно 10 Н/кв.см. И, оказывается, что маленький геккон массой в 50 г способен удерживать груз весом до 2 кг.

Физические характеристики гекко-скотча

Создатель гекко-скотча – лауреат Нобелевской премии в области физики за 2010 год Андрей Гейм. Для того, чтобы скопировать наноповерхность подошвы лап геккона, А.Гейм и его сотрудники применили метод нанолитографии, получив противоскользящую полимерную пленку со сходной микроструктурой. В итоге, чтобы отклеить от ровной стеклянной поверхности образец наноковрика 1х1 см, необходимо применить силу около 3 Ньютонов. И даже если учесть, что это меньше в три раза, чем сила, развиваемая поверхностью лап геккона, всего 200 см (20х10 см) подобного наноковрика было достаточно не только, чтобы закрепить на приборной панели в машине телефон, но и выдержать на весу взрослого человека. Гекко-скотч хорошо прилепляется не только к гладким, но и к текстурированным поверхностям. При этом гекко-скотч можно использовать неограниченное число раз.

Квадратный образец гекко-скотча размером 20х20 см смог удержать на потолке человека (фото CAU, Claudia Eulitz)

Гекко-скотч для роботов и космонавтов

В Техническом университете города Ильменау в Тюрингии гекко-скотч уже проходит испытание на мини-роботах. С помощью гекко-скотча роботы передвигаются по гладким отвесным поверхностям. Разработчики собираются создать роботов-уборщиков, способных передвигаться по стенам домов или шахт. Аналогичные разработки ведут в Стэнфорде, в группе инженера-механика Марка Куткоского. Здесь создают робота Stickybot, который может вскарабкиваться на любые поверхности. Похожими разработками занимаются и в университете Киля – Станислав Горб и его коллеги.

Исследовательская группа с участием Метина Ситти, профессора Университета Карнеги-Меллона, как и многие другие группы – из университета Киля, Технического университете города Ильменау и Стэнфордского университета – вдохновилась идеей адгезивных материалов с «эффектом геккона». Сити основал компанию, которая уже наладила выпуск фирменных гекко-скотчей на любой вкус – с возможностью применения в медицине; при пошиве спортивной одежды; в изготовлении мебели; в монтажно-строительных работах. Этот гекко-скотч лучше всего работает с гладкими поверхностями и обеспечивает повторный склеивающий эффект, не оставаясь на поверхностях после удаления, и не оставляя липкого следа, как обычный скотч. Продукты этой компании разработаны с различной степенью клейкости и прочности на отрыв.

А летом 2015 года появились сообщения, что ученые NASA на основе гекко-скотча разработали специальные «якоря» для роботов и космонавтов МКС, очень полезные в условиях невесомости. Ученые создали к настоящему времени якоря трех размеров: 2,5х10 см, 5х15 см и 7,6х20 см. Но теперь у специалистов из NASA начинают возникать еще более смелые замыслы по применению этой технологии. Одним из возможных приложений будет использование «захватов геккона» для сбора крупных предметов – космического мусора, например верхних ступеней ракет-носителей или заброшенных спутников, чтобы способствовать усилиям по защите окружающей среды на низкой околоземной орбите. Рассматривается также применение этой технологии для будущих задач по обслуживанию спутников. А один из вариантов даже предполагает использование захватов, чтобы позволить роботам, таким как LEMUR (Limbed Excursion Mechanical Utility Robot), карабкаться по корпусу МКС и будущих космических станций, выполняя текущее обслуживание и занимаясь ремонтом.

Видео: Гекко-якорь для космонавтов. Проект NASA

Видео: Робот-альпинист Stickybot. Проект Стэндфордского университета

Источники:
2016/04/05/гекко-скотч.txt · Последние изменения: 2016/06/02 00:33 — admin