211service.com
Gecko-tejp som släpper taget
Geckofötter har länge varit en inspirationskälla för forskare som strävar efter att göra superstarka, återanvändbara lim. Nu har forskare vid Carnegie Mellon University hittat ett nytt sätt att göra ett sådant självhäftande grepp och släppa efter behov, med hjälp av vinklade mikrostrukturer. Dessa strukturer efterliknar spetsarna av hårstrån som finns på geckotår, vilket ger ödlan dess skicklighet som klättrare.
Stickkraft: Dessa vinklade spetsar, cirka 40 mikron i diameter, ger samma kontrollerade stickkraft som en geckos tår.
Geckoliknande lim har redan visat sig lovande som ett bindemedel för kirurgiska tillämpningar. Vissa forskare tror att geckos speciella förmåga också kan vara nyckeln till att skapa pålitliga klätterrobotar för spaningsuppdrag och rymdutforskning.
En geckos tår har miljontals mycket små hårstrån packade tätt ihop. I slutet av varje hårstrå finns hundratals små, tefatliknande strukturer, så kallade spatel. Svaga attraktionskrafter, kända som van der Waals-krafter, håller varje spatel mot ytan av föremålet som en gecko försöker klättra upp på. När krafterna från miljontals spatel samverkar skapar de ett kraftfullt band som låter en gecko fastna på nästan vad som helst – även upp och ner.
Redan 2006, teamet, ledd av Metin Sitti , en biträdande professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon, utvecklade platta, svampformade spetsar som efterliknar spateln. Spetsarna kunde uppnå samma stickkraft som en gecko, men det fanns inget enkelt sätt att få dessa spetsar att släppa sitt grepp. Teamet insåg senare att nyckeln till att kontrollera klibbigheten låg i att ändra vinkeln på spateln. Så Sittis team tog spetsarna och placerade dem ovanpå polymerfibrer, vinklade dem i cirka 28 grader för att efterlikna vinkeln mellan ett geckohår och en spatel. När tryck appliceras i riktning mot de vinklade fibrerna ökar kontaktytan mellan varje spatel och föremålet, vilket ökar vidhäftningskraften. Att dra i motsatt riktning minskar kontaktytan och gör att attraktionskrafterna minskar, så att geckotejp, som Sitti kallar det, kan släppas. Gruppens lim kunde hålla en vikt på en kilo när tryck applicerades i riktning mot de vinklade fibrerna. En 300-grams vikt som drar i motsatt riktning räckte för att släppa bandets grepp. Forskarna redogjorde för sina resultat i ett färskt nummer av Små .
Kontrollerbar klibbighet: På den första bilden håller den vinklade polymerfibern en vikt på ett kilo i en riktning. Den andra bilden visar hur en 300-grams vikt som drar åt ett annat håll får bindningarna att bryta.
Limmet kommer att möjliggöra mer robusta och energieffektiva klätterrobotar och kapselrobotar, säger Sitti, som utvecklar båda i sitt labb.
Andra forskare har kunnat uppnå stickkraft som är mycket större än en gecko med hjälp av kolnanorör. Medan styvare nanorörsfibrer starkt kan hålla fast i en vägg har de svårare att hänga i taket, säger Sitti och tillägger att hans lim kunde hålla 500 gram från taket. En annan stor fördel med de polymerfibrer som Sitti använder är att de är lätta skalbara i tillverkningen och kostnadseffektiva, säger han.
Sitti kommersialiserar nu dessa vinklade polymerfibrer för användning i sportutrustning och hudlim genom sin startup, nanoGriptech.
Designen på spetsen är intressant, säger Liming Dai, professor i materialteknik vid University of Dayton, som använde kolnanorör för att uppnå en kraft 10 gånger starkare än geckofötter. En sak med polymerer är att du enkelt kan göra den i nanotillverkning för spetsen. Dessutom är det billigt.
Det här är helt klart innovativt arbete, säger Jeffrey Karp , en bioingenjör i Harvard-MIT Division of Health Sciences, som skapade engångsbruk, säker medicinsk geckotejp. Det kommer att bli intressant att se om denna process kan skalas för industriella applikationer, eller om limmen fungerar bättre under våta förhållanden – en stor begränsning för många av de gecko-härmande limmen.
Sitti berättar att hans grupp planerar att belägga de svampformade spetsarna med material för att få dem att fungera även i vatten. Detta kan vara viktigt för medicinska tillämpningar: det kan säkerställa att läkemedelsplåster, till exempel, inte glider av när huden blir svettig, säger Sitti.
Andra utmaningar kvarstår. För närvarande håller spetsarna bara i några timmar innan de släpper greppet. Ali Dhinojwala , en professor vid University of Akron som också arbetar med gecko-inspirerade vidhäftningar, säger att limmet helst kommer att vara självrengörande så att det kan användas om och om igen.