Waarom klom de gekko de wolkenkrabber op? Omdat het kon; zijn tenen plakken aan ongeveer alles. Voor een paar jaar, ingenieurs kennen de geheimen van kleverigheid van gekko's en hebben het nagebootst in stroken rubberachtig materiaal dat nuttig is voor het oppakken en loslaten van objecten, maar eenvoudige massaproductie voor alledaags gebruik was tot nu toe onbereikbaar.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben ontwikkeld, in een nieuwe studie, een methode om op gekko's geïnspireerde zelfklevende materialen te maken die veel kosteneffectiever is dan de huidige methoden. Het zou massaproductie en de verspreiding van de veelzijdige grijpstrips naar productie en huizen mogelijk maken.

Polymeren met "gecko-adhesie"-oppervlakken kunnen worden gebruikt om extreem veelzijdige grijpers te maken om zeer verschillende objecten op te pakken, zelfs op dezelfde assemblagelijn. Ze kunnen het ophangen van een foto gemakkelijk maken door tegelijkertijd aan zowel de foto als de muur te plakken. Stofzuigerrobots met gekko-adhesie kunnen op een dag hoge gebouwen opschieten om gevels schoon te maken.

"Met uitzondering van zaken als teflon, het zal zich aan alles hechten. Dit is een duidelijk voordeel bij de fabricage, omdat we de grijper niet hoeven voor te bereiden op specifieke oppervlakken die we willen optillen. Door gekko's geïnspireerde lijmen kunnen platte voorwerpen zoals dozen optillen en vervolgens omdraaien en gebogen voorwerpen zoals eieren en groenten optillen. " zei Michaël Varenberg, de hoofdonderzoeker van de studie en een assistent-professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering van Georgia Tech.

Huidige grijpers op assemblagelijnen, zoals klemmen, magneten, en zuignappen, kan elk een beperkt aantal objecten optillen. Grijpers op basis van gekko-geïnspireerde oppervlakken, die droog zijn en geen lijm of slijm bevatten, zou veel grijpers kunnen vervangen of gewoon de hiaten in de capaciteit kunnen opvullen die zijn achtergelaten door andere grijpmechanismen.

Scheermessen uittrekken

De hechting komt van uitsteeksels van een paar honderd micron groot die er vaak uitzien als delen van korte, slappe wanden die evenwijdig aan elkaar over het oppervlak van het materiaal lopen. Hoe ze werken door de voeten van gekko's na te bootsen, wordt hieronder uitgelegd.

Tot nu toe, gieten heeft deze mesoschaalwanden geproduceerd door ingrediënten op een sjabloon te gieten, het mengsel laten reageren en uitharden tot een flexibel polymeer en het vervolgens uit de mal verwijderen. Maar de methode is onhandig.

"Molding-technieken zijn dure en tijdrovende processen. En er zijn problemen met het losmaken van het gekko-achtige materiaal van de sjabloon, die de kwaliteit van het bevestigingsoppervlak kunnen verstoren, ' zei Varenberg.

De nieuwe methode van de onderzoekers vormde die muren door ingrediënten op een glad oppervlak te gieten in plaats van op een mal, het polymeer gedeeltelijk laten uitharden en vervolgens rijen laboratoriumscheermesjes erin dompelen. Het materiaal ligt iets meer rond de messen, die vervolgens werden uitgetrokken, het achterlaten van inkepingen op micronschaal omringd door de gewenste wanden.

Varenberg en eerste auteur Jae-Kang Kim publiceerden details over hun nieuwe methode in het tijdschrift ACS Toegepaste Materialen &Interfaces op 6 april 2020.

Vergeet perfectie

Hoewel de nieuwe methode eenvoudiger is dan gieten, ontwikkelen duurde een jaar van onderdompelen, tekening, en bijstellen tijdens het onderzoeken van kieskeurige details onder een elektronenmicroscoop.

"Er zijn veel parameters om te regelen:viscositeit en temperatuur van de vloeistof; timing, snelheid, en afstand van het terugtrekken van de messen. We hadden genoeg plasticiteit van het uithardende polymeer op de bladen nodig om de muren op te rekken, en niet zozeer de stijfheid die de muren zou doen scheuren, ' zei Varenberg.

Gekko-geïnspireerde oppervlakken hebben een fijne topografie op micronschaal en soms zelfs op nanoschaal, en oppervlakken gemaakt via gieten zijn meestal het meest nauwkeurig. Maar zo'n perfectie is niet nodig; de met de nieuwe methode gemaakte materialen deden hun werk goed en waren ook opvallend robuust.

"Veel onderzoekers die gekko-adhesie aantonen, moeten het in een cleanroom in schone uitrusting doen. Ons systeem werkt gewoon in normale omgevingen. Het is robuust en eenvoudig, en ik denk dat het een goed potentieel heeft voor gebruik in de industrie en woningen, zei Varenberg, die oppervlakken in de natuur bestudeert om hun gunstige eigenschappen na te bootsen in door mensen gemaakte materialen.

Gekko voet dons

Zie de voet van de gekko. Het heeft ribbels op zijn tenen, en dit heeft sommigen in het verleden ertoe gebracht te denken dat hun voeten blijven plakken door zuigkracht of een soort van greep door de huid.

Maar elektronenmicroscopen onthullen een diepere structuur - spatelvormige borstelige fibrillen steken enkele tientallen micrometers lang uit die richels. De fibrillen maken zo grondig contact met oppervlakken tot op nanoschaal dat zwakke aantrekkingen tussen atomen aan beide zijden enorm lijken op te tellen om een ​​algehele sterke hechting te creëren.

In plaats van pluis, ingenieurs hebben rijen vormen ontwikkeld die materialen bedekken die het effect produceren. Een gemeenschappelijke vorm zorgt ervoor dat het oppervlak van een materiaal eruitziet als een veld paddenstoelen van een paar honderd micron groot; een andere zijn rijen korte muren zoals die in deze studie.

"De paddestoelpatronen raken een oppervlak, en ze zijn meteen bevestigd, maar losmaken vereist het uitoefenen van krachten die nadelig kunnen zijn. De wandvormige uitsteeksels vereisen een kleine schuifkracht zoals een ruk of een zachte grijper om hechting te genereren, maar dat is makkelijk en het loslaten van het object is ongecompliceerd, te, ' zei Varenberg.

Varenbergs onderzoeksteam gebruikte de tekenmethode om muren te maken met U-vormige ruimtes ertussen en muren met V-vormige ruimtes ertussen. Ze werkten met polyvinylsiloxaan (PVS) en polyurethaan (PU). De V-vorm gemaakt in PVS werkte het beste, maar polyurethaan is het betere materiaal voor de industrie, dus de groep van Vanenberg zal nu werken aan het bereiken van het V-vormige gekko-grijppatroon in PU voor de best mogelijke combinatie.