Inspireret af den måde, huden på blækspruttearme fungerer på, har forskere ved Virginia Tech i USA udviklet et nyt hurtigt omskifteligt klæbemiddel, der klæber sikkert til genstande under vandet. Materialet kan finde anvendelse i robotteknologi, sundhedspleje og i fremstilling til samling og manipulation af våde genstande.
Klæbemidler, der virker under vand, er vanskelige at lave. Dette skyldes, at hydrogenbindinger og van der Waals og elektrostatiske kræfter, der medierer vedhæftning i tørre miljøer, er meget mindre effektive i vand. Dyreverdenen rummer dog masser af eksempler på stærk vedhæftning under fugtige forhold: Muslinger udskiller særlige klæbende proteiner, hvilket skaber en klæbrig plak, der kan hæftes på våde overflader; frøer kanaliserer væske gennem strukturerede tåpuder for at aktivere kapillære og hydrodynamiske kræfter; og blæksprutter som blæksprutten bruger suger til at klæbe til overflader via sugning.
Stærk klæbebinding
Cephalopod gribere er særligt gode til at holde ting under vandet. Blæksprutter, for eksempel, har otte lange arme dækket med suckers, der kan gribe fat i genstande som bytte. Formet som enden af en blikkenslagers stempel, klæber sugerne til en genstand, hvilket hurtigt skaber en stærk klæbebinding, som er svær at bryde. "Vedhæftningen kan hurtigt aktiveres og frigøres," forklarer lederen af studieteamet Michael Bartlett, "og blæksprutten styrer over 2000 sugekopper på tværs af otte arme ved at behandle information fra forskellige kemiske og mekaniske sensorer."
Faktisk består en blækspruttes føleapparat af et fotomodtagelsessystem, der bruger øjnene; mekanoreceptorer, der registrerer væskestrøm, tryk og kontakt; og kemoreception taktile sensorer. Hver suger er uafhængigt styret til at aktivere eller frigive vedhæftning - noget, der ikke findes i syntetiske klæbemidler.
Den nye Virginia Tech blæksprutte-inspirerede klæbemiddel består af en silikone-elastomer-stilk, der er dækket af en strækbar pneumatisk aktiveret elastomer-membran for at kontrollere vedhæftning. Stilken er lavet af 3D-printforme, og silikone-elastomeren støbes og hærdes. Det klæbende element er forbundet med en trykkilde, der leverer positivt, neutralt og negativt tryk for at kontrollere formen af den aktive membran.
"Dette design giver os mulighed for at skifte adhæsion 450 gange fra tændt til slukket tilstand på mindre end 50 ms," siger Bartlett. "Vi integrerede disse klæbende elementer tæt med en række mikro-LIDAR optiske nærhedssensorer, der registrerer, hvor tæt et objekt er."
Forskerne forbandt derefter sugerne og LIDAR gennem en mikrocontroller til real-time objektdetektion og adhæsionskontrol.
Handske med syntetiske sugere og sensorer
Under vandet slynger en blæksprutte armene rundt om genstande og kan fæstne sig til en række forskellige overflader, herunder sten, glatte skaller og uslebne bjælker ved hjælp af sine sugekopper. Bartlett og kolleger efterlignede dette ved at lave en handske med syntetiske sugekopper og sensorer tæt integreret sammen. Denne enhed, kaldet Octa-handske, kan registrere forskelligt formede genstande under vandet. Dette udløser automatisk limen, så genstanden kan manipuleres.
"Ved at kombinere bløde, lydhøre klæbende materialer med indlejret elektronik kan vi gribe genstande uden at skulle klemme," sagde Bartlett. "Det gør håndtering af våde eller undervandsgenstande meget nemmere og mere naturligt. Elektronikken kan aktivere og frigive vedhæftning hurtigt. Bare flyt din hånd mod en genstand, og handsken gør arbejdet med at gribe. Det hele kan gøres uden at brugeren trykker på en eneste knap.”
Disse egenskaber, som efterligner den avancerede manipulation, sansning og kontrol af blæksprutter, kunne finde anvendelser inden for blød robotteknologi til undervandsgreb, anvendelser i brugerstøttede teknologier og sundhedspleje og i fremstilling til samling og manipulation af våde genstande, fortæller han. Fysik verden.
Flere gribetilstande
Octopus-inspireret klæbemiddel kunne hele sår
I deres eksperimenter testede forskerne flere gribetilstande. De brugte en enkelt sensor til at manipulere sarte, lette genstande og fandt ud af, at de hurtigt kunne opsamle og frigive flade genstande, metallegetøj, cylindre, en ske og en ultrablød hydrogelkugle. Ved derefter at omkonfigurere sensorerne til, at flere sensorer blev aktiveret, kunne de gribe større genstande såsom tallerken, en kasse og en skål.
Virginia Tech-teamet rapporterer sit arbejde i Science Forskud, siger, at der stadig er meget at lære, både om hvordan blæksprutten styrer adhæsion og manipulerer undervandsobjekter. "Hvis vi bedre kan forstå det naturlige system, vil dette gøre det muligt at skabe mere avancerede bio-inspirerede, konstruerede systemer," siger Bartlett.
