In hun dagelijks leven, insecten hebben vaak te maken met zowel ruwe en gladde als kleverige oppervlakken. Ze krijgen een stevige grip door speciale haken of kleine haartjes op hun voeten. Hoewel deze verschillende vereisten voor veel insecten geen probleem vormen, technische toepassingen zijn minder flexibel. Ze zijn meestal specifiek ontwikkeld voor een bepaalde toepassing, zoals zomer- of winterbanden, bijvoorbeeld - en kunnen zich niet aanpassen aan verschillende oppervlakken. Geïnspireerd door de speciale structuur van sprinkhanenpoten, een interdisciplinair onderzoeksteam van de Kiel University (CAU) heeft nu een kunstmatig wrijvingssysteem ontwikkeld dat op een groot aantal verschillende oppervlakken werkt. Hun combinatie van een zacht siliconenmembraan, gevuld met fijnkorrelig granulaat, past zich aan vrijwel elke ondergrond aan en zorgt bij lichte druk voor een stevige grip. De eenvoudige productiemethode maakt ook industriële toepassingen mogelijk, zoals gerapporteerd door het onderzoeksteam in het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materiaalinterfaces .

Wisselen tussen zachte en harde materiaaleigenschappen

Een stevige grip vereist een goed contactoppervlak en tegelijkertijd een stabiele krachtoverbrenging. "Om op verschillende oppervlakken te blijven plakken, we moeten schakelen tussen het gedrag van zachte en harde materialen, wat eigenlijk een contradictio in terminis is, " legde Stanislav Gorb uit, Hoogleraar functionele morfologie en biomechanica aan de CAU. Terwijl zachte materialen een groot contactoppervlak mogelijk maken met de grote verscheidenheid aan oppervlaktestructuren, harde materialen zorgen voor een optimale krachtoverbrenging. Daarom, de bionica-expert en zijn team zochten een manier om te schakelen tussen de twee materiaaleigenschappen. In aanvulling, ze wilden een oplossing die eenvoudig en economisch te produceren was, zodat het ook voor industriële toepassingen kan worden gebruikt.

Ze werden geïnspireerd door de speciale voeten van sprinkhanen, die worden gekenmerkt door kleine, kussenachtige aanhangsels. In eerder onderzoek is Gorb en zijn team konden aantonen dat deze kussens zijn omhuld met een rubberachtige film, die zorgt voor een goed wrijvings- en kleefcontact met het oppervlak. Anderzijds, de binnenkant van de kussens bestaat uit bijzonder stabiele vezels die veel kracht kunnen overbrengen. Het opnieuw creëren van een dergelijke fibrillaire structuur zou te tijdrovend en te duur zijn voor industriële toepassingen, echter.

Nutsvoorzieningen, het Kiel-onderzoeksteam heeft een vergelijkbaar effect aangetoond voor granulaat, d.w.z. een fijnkorrelig materiaal. Om dit te doen, ze gebruikten een principe van de zogenaamde "jamming-overgang". "Je weet dat van vacuümverpakte koffie:het koffiepoeder wordt samengeperst en vormt een dichte massa, zo hard als een rots. Wanneer het pakket voor de eerste keer wordt geopend, het poeder wordt los, en gedraagt ​​zich dus heel anders, als een vloeistof, " beschreef Halvor Tramsen, die samen met Lars Heepe een van de fysici is in het onderzoeksteam.

Hoge wrijvingskrachten op gladde, gestructureerde en vuile oppervlakken

Ze omhulden het granulaat met een flexibele membraanbedekking en testten de wrijvingseigenschappen van hun "granular cushion" GMFP (granular medium frictiekussen) op gladde, gestructureerde en vuile oppervlakken. Dankzij het zachte en rekbare membraan, het kussen hechtte perfect aan de verschillende oppervlakken. De wetenschappers oefenden toen druk uit op het kussen, die het granulaat binnenin verdicht, en stolde het hele kussen. Deze stijfheid en het grote contactoppervlak met het oppervlak genereren samen hoge wrijvingskrachten waardoor het kussen niet meer kan worden bewogen. Het kussen vertoonde een vergelijkbare hoge wrijving op alle drie soorten testoppervlakken.

Hoe het wrijvingsprincipe van het granulaatkussen op andere oppervlakken werkt, wordt geïllustreerd door een model ontwikkeld door professor Alexander Filippov, een theoretisch fysicus en Georg Forster Research Fellow in de Kiel-werkgroep. Zijn numerieke model maakte het ook mogelijk om de interactie van granulaat en membraan te testen op andere materialen en deeltjesgroottes.

"In ons prototype we gebruikten elastische siliconen voor de hoes en vulden deze eigenlijk met gedroogd koffiedik, " legde Gorb uit. Vanwege hun grootte en hun ruwe vorm, deze deeltjes raken heel gemakkelijk met elkaar verstrikt, en het jamming-overgangseffect, d.w.z. de omschakeling tussen de eigenschappen van zachte en harde materialen, werkt bijzonder goed. In principe, het is zeker denkbaar om gedroogd koffiedik ook te gebruiken voor industriële toepassingen met recyclingvoordelen. Ten slotte, dit koffieresidu is direct beschikbaar, vrij van vervuilende stoffen en goedkoop, zei Gorb. Onderzoek naar andere korrelige materialen en vliezige oppervlakken is al gepland.