Team udvikler multisurface adhæsionssystem modelleret på græshoppefødder

I deres hverdag, insekter skal ofte klare både ru og glatte samt klæbrige overflader. De opnår et fast greb gennem specielle kroge eller små hår på fødderne. Selvom disse forskellige krav ikke er et problem for mange insekter, tekniske applikationer er mindre fleksible. De er normalt specielt udviklet til en bestemt applikation - såsom sommer- eller vinterdæk, for eksempel – og er ikke i stand til at tilpasse sig forskellige overflader. Inspireret af den særlige struktur af græshoppefødder, et tværfagligt forskerhold ved Kiel University (CAU) har nu udviklet et kunstigt friktionssystem, der virker på en lang række forskellige overflader. Deres kombination af en blød silikonemembran, fyldt med finkornet granulat, tilpasser sig næsten enhver overflade og skaber et fast greb under let tryk. Den enkle produktionsmetode muliggør også industrielle anvendelser, som rapporteret af forskerholdet i det aktuelle nummer af det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialegrænseflader .

Skift mellem bløde og hårde materialeegenskaber

Et fast greb kræver en god kontaktflade samt en stabil kraftoverførsel på samme tid. "For at holde sig til forskellige overflader, vi skal skifte mellem opførsel af bløde og hårde materialer, hvilket faktisk er en selvmodsigelse, " forklarede Stanislav Gorb, Professor i funktionel morfologi og biomekanik ved CAU. Mens bløde materialer tillader et stort kontaktområde med de mange forskellige overfladeteksturer, hårde materialer muliggør en optimal kraftoverførsel. Derfor, bionikeksperten og hans team søgte en måde at skifte mellem de to materialeegenskaber. Ud over, de ønskede en løsning, der var enkel og økonomisk at producere, så den også kan bruges til industrielle applikationer.

De var inspireret af græshoppernes særlige fødder, som er kendetegnet ved små, pude-lignende vedhæng. I tidligere forskning, Gorb og hans team var i stand til at vise, at disse puder er indkapslet med en gummilignende film, som giver god friktions- og klæbende kontakt med overfladen. På den anden side, indersiden af ​​puderne består af særligt stabile fibre, som kan overføre en stor kraft. At genskabe en sådan fibrillær struktur ville være for tidskrævende og for dyrt til industrielle anvendelser, imidlertid.

Nu, Kiel-forskerholdet har vist en lignende effekt for granulat, altså et finkornet materiale. For at gøre det, de brugte et princip om såkaldt "jamming transition". "Du ved, at fra vakuumpakket kaffe:kaffepulveret komprimeres og danner en tæt masse, så hård som en sten. Når pakken åbnes for første gang, pulveret bliver løst, og opfører sig således helt anderledes, som en væske, " beskrev Halvor Tramsen, som sammen med Lars Heepe er en af ​​fysikerne i forskerholdet.

Høje friktionskræfter på glat, strukturerede og snavsede overflader

De indkapslede granulatet af et fleksibelt membrandæksel og testede friktionsegenskaberne af deres "granulære pude" GMFP (granulær medium friktionspude) på glat, strukturerede og snavsede overflader. Takket være den bløde og strækbare membran, puden fæstnet perfekt til de forskellige overflader. Forskerne udøvede derefter pres på puden, som komprimerede granulatet indeni, og størknede hele puden. Denne stivhed og det store kontaktareal med overfladen genererer tilsammen høje friktionskræfter, hvorigennem puden ikke længere kan bevæges. Puden udviste tilsvarende høj friktion på alle tre typer testoverflader.

Hvordan friktionsprincippet i granulatpuden virker på andre overflader er illustreret af en model udviklet af professor Alexander Filippov, en teoretisk fysiker og Georg Forster-forsker i Kiel-arbejdsgruppen. Hans numeriske model tillod også, at samspillet mellem granulat og membran blev testet for andre materialer og partikelstørrelser.

"I vores prototype, vi brugte elastisk silikone til betrækket og fyldte det faktisk med tørret kaffegrums, " forklarede Gorb. På grund af deres størrelse og deres ru form, disse partikler bliver meget let viklet ind i hinanden, og jamming-overgangseffekten, dvs. skiftet mellem egenskaberne af bløde og hårde materialer, fungerer særligt godt. I princippet, det er bestemt tænkeligt også at bruge tørret kaffegrums til industrielle anvendelser med genbrugsfordele. Trods alt, denne kafferester er let tilgængelig, fri for forurenende stoffer og billig, sagde Gorb. Der er allerede planlagt forskning i andre granulære materialer og membranoverflader.