Overflader, der griber som gekkofødder, kunne nemt masseproduceres

Hvorfor klatrede gekkoen op i skyskraberen? Fordi det kunne; dens tæer klæber til næsten alt. I nogle år, Ingeniører har kendt til hemmelighederne bag gekko-klæbrighed og efterlignet det i strimler af gummiagtige materialer, der er nyttige til at samle op og frigive genstande, men simpel masseproduktion til hverdagsbrug har indtil nu været uden for rækkevidde.

Forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet, i en ny undersøgelse, en metode til fremstilling af gekko-inspirerede klæbematerialer, der er meget mere omkostningseffektiv end nuværende metoder. Det kunne muliggøre masseproduktion og spredning af de alsidige gribestrimler til fremstilling og hjem.

Polymerer med "gecko adhæsion" overflader kunne bruges til at lave ekstremt alsidige gribere til at opfange meget forskellige genstande selv på samme samlebånd. De kunne gøre det nemt at hænge billeder ved at klæbe til både billedet og væggen på samme tid. Støvsugerrobotter med gekko-vedhæftning kunne en dag skyde høje bygninger op for at rense facader.

"Med undtagelse af ting som teflon, det vil klæbe til hvad som helst. Dette er en klar fordel i fremstillingen, fordi vi ikke behøver at forberede griberen til specifikke overflader, vi ønsker at løfte. Gecko-inspirerede klæbemidler kan løfte flade genstande som kasser og derefter vende rundt og løfte buede genstande som æg og grøntsager, "sagde Michael Varenberg, undersøgelsens hovedforsker og en adjunkt ved Georgia Techs George W. Woodruff School of Mechanical Engineering.

Nuværende gribere på samlebånd, såsom klemmer, magneter, og sugekopper, kan hver enkelt løfte begrænsede rækkevidde af genstande. Gribere baseret på gekko-inspirerede overflader, som er tørre og ikke indeholder lim eller goo, kunne erstatte mange gribere eller blot udfylde kapacitetshuller efterladt af andre gribemekanismer.

Udtrækning af barbermaskiner

Vedhæftningen kommer fra fremspring på et par hundrede mikrometer, der ofte ligner sektioner af korte, diskette vægge, der løber parallelt med hinanden på tværs af materialets overflade. Hvordan de virker ved at efterligne gekkoers fødder er forklaret nedenfor.

Indtil nu, støbning har produceret disse mesoskala vægge ved at hælde ingredienser på en skabelon, lad blandingen reagere og indstille til en fleksibel polymer og derefter fjerne den fra formen. Men metoden er ubelejlig.

"Støbeteknikker er dyre og tidskrævende processer. Og der er problemer med at få det gekko-lignende materiale til at frigøres fra skabelonen, som kan forstyrre kvaliteten af ​​fastgørelsesfladen, " sagde Varenberg.

Forskernes nye metode dannede disse vægge ved at hælde ingredienser på en glat overflade i stedet for en form, lade polymeren delvist stivne og dyppe rækker af laboratoriebarberblade ned i den. Materialet sætter sig lidt mere omkring knivene, som så blev trukket ud, efterlader fordybninger i mikronskala omgivet af de ønskede vægge.

Varenberg og første forfatter Jae-Kang Kim offentliggjorde detaljer om deres nye metode i tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader den 6. april, 2020.

Glem alt om perfektion

Selvom den nye metode er lettere end støbning, at udvikle det tog et år med dykning, tegning, og genjustering, mens du undersøger kræsne detaljer under et elektronmikroskop.

"Der er mange parametre, der skal kontrolleres:væskens viskositet og temperatur; timing, hastighed, og afstanden til tilbagetrækning af knivene. Vi havde brug for tilstrækkelig plasticitet af den stivnede polymer til knivene til at strække væggene op, og ikke så meget stivhed, der ville få væggene til at rive op, " sagde Varenberg.

Gecko-inspirerede overflader har en fin topografi på mikronskala og nogle gange endda på nanoskala, og overflader lavet via støbning er normalt de mest præcise. Men en sådan perfektion er unødvendig; materialerne lavet med den nye metode gjorde arbejdet godt og var også markant robuste.

"Mange forskere, der demonstrerer gekko-adhæsion, skal gøre det i et renrum i rent udstyr. Vores system fungerer ganske enkelt i normale indstillinger. Det er robust og enkelt, og jeg tror, ​​det har et godt potentiale til brug i industri og boliger, sagde Varenberg, der studerer overflader i naturen for at efterligne deres fordelagtige kvaliteter i menneskeskabte materialer.

Gecko fodfnug

Se gekkoens fod. Den har kamme på tæerne, og dette har førhen fået nogle til at tro, at deres fødder sætter sig fast ved sugning eller en eller anden form for klem i huden.

Men elektronmikroskoper afslører en dybere struktur - spatelformede børstehårede fibriller stikker et par dusin mikron lang ud af disse kamme. Fibrillerne får så grundig kontakt med overflader ned til nanoskalaen, at svage tiltrækninger mellem atomer på begge sider ser ud til at øges enormt for at skabe en samlet stærk vedhæftning.

I stedet for fnug, ingeniører har udviklet rækker af former, der dækker materialer, der producerer effekten. En almindelig form får et materiales overflade til at ligne en mark af svampe, der er et par hundrede mikrometer i størrelse; en anden er rækker af korte vægge som dem i denne undersøgelse.

"Svampemønstrene rører en overflade, og de er fastgjort med det samme, men frigørelse kræver påføring af kræfter, der kan være ufordelagtige. De vægformede fremspring kræver mindre forskydningskraft som et slæb eller et blidt greb for at skabe vedhæftning, men det er nemt, og at give slip på objektet er ukompliceret, også, " sagde Varenberg.

Varenbergs forskergruppe brugte tegnemetoden til at lave vægge med U-formede rum imellem dem og vægge med V-formede mellemrum. De arbejdede med polyvinylsiloxan (PVS) og polyurethan (PU). V-formen lavet i PVS fungerede bedst, men polyurethan er det bedste materiale til industrien, så Vanenbergs gruppe vil nu arbejde hen imod at opnå det V-formede gekko-gribemønster i PU for den bedst mulige kombination.