Inspireret af nordlige clingfish, forskere laver en bedre sugekop

Den fingerstore nordlige clingfish har en af ​​de bedste sugekopper i verden. En lille skive på maven kan sætte sig fast på vådt, slimet, selv ru overflader og holder op til 230 gange sin egen kropsvægt.

Et team fra University of Washington, inspireret af clingfishens sugekraft, satte sig for at udvikle en kunstig sugekop, der låner fra naturens design. Deres prototype, beskrevet i et papir offentliggjort 9. september i tidsskriftet Philosophical Transactions of the Royal Society B , faktisk klarede sig bedre end clingfish.

"Jeg kan godt lide at sige, naturen er altid bedst, " sagde hovedforfatter Petra Ditsche, som startede dette arbejde som postdoc-forsker ved UW Friday Harbor Laboratories på San Juan Island. "I dette tilfælde, når man overvejer deres tilknytningskraft, vores sugekopper er bedre."

Sugekopperne kan være nyttige på tværs af en række industrier, der kræver en stærk, men reversibel klæbekraft på ru eller teksturerede overflader. Disse kunne omfatte mærkning af hvaler og andre havdyr, fastgørelse af sensorer til tilsmudsede vandoverflader eller betjening af undervandsfartøjer til at rense skibsskrog. Anvendelser inden for design af brusekabiner eller industriel forarbejdning er andre interessante anvendelsesområder for de bioinspirerede sugekopper, sagde forskerne.

Nøglen til deres sugekops gennembrud var at forstå, hvordan clingfishens naturlige sug virker så effektivt - især på ru overflader, der normalt får en fremstillet sugekop til at svigte.

Clingfish har en skive på maven, der gør, at de kan holde fast med stor ihærdighed. Diskens kant er dækket af lag af mikrostørrelse, hårlignende strukturer, i mange forskellige størrelser. Denne lagdelte effekt skaber mere friktion langs kanten og hjælper fisken med at holde sig til ru overflader. Hele disken er fleksibel og elastisk, lader den tilpasse sig og holde sig til grov, ujævne overflader.

"Disse fisk er så stemningsfulde i, hvad de kan. De kan holde sig til uregelmæssige sten dækket af alger, og du kan ikke købe noget, der reversibelt klæber til de sten, " sagde medforfatter Adam Summers, en professor i biologi og i akvatiske og fiskerividenskaber baseret på Friday Harbor Labs. "En frygtelig masse eksperimenter og skepsis førte os endelig til at forstå, hvordan det fungerede."

Der er omkring 110 kendte arter i klingfiskfamilien, der findes over hele verden. Befolkningen omkring San Juan-øerne er robust og sund. De klamrer sig ofte til sten nær kysten, og ved lavvande kan de ses i tidevandsbassiner og under klipper.

Mange havdyr kan holde sig stærkt til undervandsoverflader - havstjerner, muslinger og anemoner, for at nævne nogle få - men få kan slippe så hurtigt som klyngefisken, især efter at have genereret så meget stikkraft.

Efter mere end fem år brugt på at tyde, hvordan klynge-sugekopperne fungerer, forskerne begyndte at bygge deres egen prototype, lån fra naturens innovationer.

Holdet opdagede efter mange års laboratorietest, at kombinationen af ​​forskellige materialer hjalp med at give de kunstige sugekopper en stiv struktur, der var stærk nok til at holde spændinger, mens den også er blød og fleksibel nok til at tilpasse sig og klæbe til ru overflader. De fandt også en måde at øge friktionen på kanten af ​​koppen.

"Denne kombination af alle disse forskellige aspekter gav os endelig gode resultater og gjorde os virkelig i stand til at bygge en sugekop, der er i stand til at fæstne sig stærkt til ru overflader, " sagde Ditsche.

Forskerne testede flere iterationer af deres sugekopdesign ved at klæbe dem til et spektrum af ru og glatte overflader, derefter trække indtil hver kop fejlede ved hjælp af en testmaskine. De lavede de samme tests ved hjælp af den naturlige klynge-sugeskive. Hver gang, den mest avancerede kunstige kop udkonkurrerede clingfish-suget på tværs af alle overflader.

Prototypen er klar til at blive taget til næste trin, ideelt set i samarbejde med ingeniører, der kunne udvikle konceptet yderligere med specifikke produkter og applikationer i tankerne, sagde Ditsche. Afhængigt af hvordan kopperne bruges, faktorer som temperatur og soleksponering kan kræve finjustering af designet.

"Der er forståelse for, hvordan noget fungerer. Og så er der forståelse for, hvordan det fungerer så godt, at du faktisk kan lave et. Biologi giver dig ikke altid den mulighed, " sagde Summers. "Dette er en virkelig usædvanlig situation, hvor, når vi så nøje efter over tid, vi indså, at vi kunne efterligne det, vi så."