Een team van ingenieurs en mariene biologen heeft een betere zuignap gebouwd, geïnspireerd op het mechanisme waarmee de schelpdieren zich kunnen hechten aan zowel gladde als ruwe oppervlakken, zoals rotsen in het gebied waar het tij komt en gaat.

Onderzoekers hebben de zuigschijf van de clingfish reverse-engineered en apparaten ontwikkeld die zich goed hechten aan natte en droge objecten, zowel in als buiten het water. De apparaten kunnen tot honderden keren hun eigen gewicht dragen. Ze kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van het hanteren en verpakken van producten, tot robotgrijpers in de productie, voor het terugwinnen van archeologische artefacten.

Het team van de Universiteit van Californië in San Diego presenteert hun bevindingen in een recent nummer van het tijdschrift Bio-inspiratie en biomimetica .

Het overkoepelende doel van het project was het ontwikkelen van een nieuwe technologie die in staat is om delicate greep te bieden op kwetsbare objecten. De studie benadrukt het belang van biomimicry, waarmee wetenschappers uit verschillende disciplines, van techniek tot biologie, kunnen samenwerken en inspiratie uit de natuur kunnen halen om nieuwe technologieën te ontwikkelen.

"Ik ben altijd gefascineerd geweest door de natuur, en in het bijzonder de ingewikkelde en ronduit fascinerende ontwerpen die zijn geëvolueerd en die kunnen wat moderne technologie niet kan, " zei Jessica Sandoval, een doctoraat student aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en hoofdauteur van de studie. "Dit was een perfecte gelegenheid om het adhesiemechanisme in deze clingfish te bestuderen en te onderzoeken hoe de technologie achter de adhesie van zuignappen kan worden verbeterd."

Zuignapjes verbeteren door biomimicry

Clingfish zijn kleine vissen die wijdverbreid zijn in tropische en gematigde streken. Ze komen veel voor in intergetijdengebieden, waar ze hun krachtige zuigkracht gebruiken om zich aan rotsen te hechten, algen, en zeegras. Ze kunnen aan deze oppervlakken blijven kleven, zelfs bij krachtige stromingen en wanneer ze worden gehavend door golven. De schelpvissen die in deze studie werden gebruikt, waren een soort die inheems was aan de westkust, en werden direct buiten San Diego verzameld.

Door de schelpdieren die ze verzamelden te bestuderen, Sandoval en collega's ontdekten dat het geheim dat het bevestigingsmechanisme nabootst dat het dier gebruikt, was om een ​​zachte laag en spleten in de kunstmatige zuignappen op te nemen. De zuigschijf van de clingfish is bekleed met rijen zeshoekige structuren, papillen genoemd, die zijn bedekt met microscopisch kleine vezels. Onderzoekers bootsten dit na in hun prototypes met een zachte laag gemaakt van siliconen. Die laag verbeterde de kleefkracht op ruwe oppervlakken aanzienlijk. Het team heeft ook sleuven aangebracht in de kamer van de zuignap, wat zorgt voor een betere hechting op onregelmatige, holle oppervlakken.

"Toen ik voor het eerst met mijn technische collega's sprak, Ik was er zeker van dat de truc om de zuignap te optimaliseren uit de biologie zou komen, " zei studie co-auteur Dimitri Deheyn, een onderzoeker in mariene biologie en biomimicry aan de Scripps Institution of Oceanography aan de UC San Diego. "Ik was er ook zeker van dat een betere zuignap een unieke ontwerparchitectuur zou combineren met een 3D, veelzijdig mechanisme van een soort."

Zuignapprestaties

De kunstmatige zuignappen die onderzoekers ontwikkelden, konden op ruwe oppervlakken blijven plakken, zoals grof schuurpapier, en op zeer variabele oppervlakken, van stenen tot groenten, zowel in als uit het water. Onderzoekers toonden ook aan dat hun apparaten alles van kersen en aardbeien konden oppikken zonder ze te verpletteren, schelpen en vazen ​​te bewerken.

"Veel zelfklevende apparaten hechten alleen goed op een droog of een nat oppervlak en hebben moeite met ruwe oppervlakken, " zei studie co-auteur Mike Tolley, een robotica-expert en professor aan de Jacobs School of Engineering aan de UC San Diego. "Onze apparaten kunnen het allemaal."

De apparaten kunnen een zwaar voorwerp meer dan zes uur vasthouden, waarvan onderzoekers denken dat ze kunnen worden verlengd tot langere tijd. In aanvulling, deze op clingfish geïnspireerde zuigschijven hebben een indrukwekkende grip gezien hun grootte:een zuigschijf kan tot 350 keer zijn eigen gewicht dragen terwijl hij in de lucht hangt.

De onderzoekers rustten zelfs de arm van een Remotely Operated Vehicle (ROV) uit met een van hun apparaten en toonden aan dat het een rauw ei kon manipuleren zonder het te breken.

"Deze specifieke ROV-toepassing is van bijzonder belang voor mij, " zei Sandoval, die naast een Ph.D. student. "Tijdens het besturen van ROV's, Ik gebruik onderzeese manipulatoren om delicate monsters van de zeebodem te halen. Ik wou vaak dat ik een hulpmiddel had voor een delicate grip als aanvulling op de krachtige greep van de metalen kaken van de manipulator. Mijn werk in de diepzee was een echte motivatie om naar de natuur te kijken voor inspiratie voor hechting."

Experimenten en analyse

De schelpvissen werden verzameld in de getijdenpoelen net ten noorden van de Ellen Browning Scripps Pier. Een deel van het Scripps Coastal Marine Reserve, wetenschappers van UC San Diego kunnen licenties verwerven om organismen voor wetenschappelijke doeleinden uit dit gebied te verzamelen, waardoor het een unieke aanwinst is voor de universiteit.

Tijdens het bouwen van op clingfish geïnspireerde zuigschijven, het team experimenteerde ook met het nabootsen van de microscopisch kleine vezels van de clingfish door de voetafdruk van de kunstmatige zuigschijf te coaten met een laag microscopisch kleine pilaren gemaakt van siliconen. interessant, ze ontdekten dat de eenvoudigere ontwerpen die uit slechts een dikke laag siliconen bestonden, beter presteerden dan ontwerpen met microscopisch kleine pilaren.

Het interdisciplinaire team analyseerde de prestaties van de op clingfish geïnspireerde kunstmatige zuigschijven. De onderzoekers karakteriseerden het oppervlaktecontact van de voetafdruk van de schijven om te zien hoe ze interageren met een oppervlak. Ze probeerden de onderliggende energieën te begrijpen door eindige-elementenanalyse te gebruiken om het proces van vervorming van de zuigschijven te modelleren. Ze voerden ook tests uit van kleefkracht op verschillende oppervlaktekrommingen en verschillende oppervlakteruwheden, variërend van glad acryl tot grof schuurpapier. Ze testten de hoeveelheid kracht die nodig was om de schijf aan een oppervlak te bevestigen, afhankelijk van de oppervlakteruwheid. Ze ontdekten dat er heel weinig kracht nodig was om de schijven aan een oppervlak te bevestigen, wat het vermogen van de apparaten om delicate objecten te hanteren verklaart.