Inspiriert von der Funktionsweise der Haut von Krakenarmen haben Forscher der Virginia Tech in den USA einen neuen schnell schaltbaren Klebstoff entwickelt, der sicher an Objekten unter Wasser haftet. Das Material könnte in der Robotik, im Gesundheitswesen und in der Fertigung zum Zusammenbauen und Manipulieren von nassen Objekten Verwendung finden.
Klebstoffe, die unter Wasser funktionieren, sind schwierig herzustellen. Dies liegt daran, dass die Wasserstoffbindungen und Van-der-Waals- und elektrostatischen Kräfte, die die Haftung in trockenen Umgebungen vermitteln, in Wasser viel weniger wirksam sind. Die Tierwelt enthält jedoch viele Beispiele für starke Haftung unter feuchten Bedingungen: Muscheln scheiden spezielle Haftproteine aus und bilden eine klebrige Plaque, die sich an nassen Oberflächen anheftet; Frösche leiten Flüssigkeit durch strukturierte Zehenpolster, um kapillare und hydrodynamische Kräfte zu aktivieren; und Kopffüßer wie der Oktopus verwenden Saugnäpfe, um durch Saugkraft an Oberflächen zu haften.
Starke Klebeverbindung
Kopffüßer-Greifer eignen sich besonders gut zum Halten von Gegenständen unter Wasser. Kraken zum Beispiel haben acht lange Arme, die mit Saugnäpfen bedeckt sind, die Gegenstände wie Beute greifen können. Die Saugnäpfe sind wie das Ende eines Klempnerkolbens geformt und haften an einem Objekt, wodurch schnell eine starke Klebeverbindung entsteht, die schwer zu brechen ist. „Die Adhäsion kann schnell aktiviert und gelöst werden“, erklärt Studienteamleiter Michael Bartlett, „und der Oktopus kontrolliert über 2000 Saugnäpfe in acht Armen, indem er Informationen von verschiedenen chemischen und mechanischen Sensoren verarbeitet.“
Tatsächlich besteht der Wahrnehmungsapparat eines Oktopus aus einem Fotorezeptionssystem, das seine Augen verwendet; Mechanorezeptoren, die Flüssigkeitsfluss, Druck und Kontakt erkennen; und taktile Sensoren für die Chemorezeption. Jeder Sauger wird unabhängig gesteuert, um die Haftung zu aktivieren oder zu lösen – etwas, das bei synthetischen Klebstoffen nicht vorhanden ist.
Der neue von Oktopussen inspirierte Klebstoff von Virginia Tech besteht aus einem Silikonelastomerstiel, der mit einer dehnbaren, pneumatisch betätigten Elastomermembran bedeckt ist, um die Haftung zu kontrollieren. Der Stiel wird durch 3D-Druckformen hergestellt und das Silikonelastomer wird dann gegossen und ausgehärtet. Das Klebeelement ist mit einer Druckquelle verbunden, die positiven, neutralen und negativen Druck liefert, um die Form der aktiven Membran zu steuern.
„Dieses Design ermöglicht es uns, die Haftung 450 Mal in weniger als 50 ms vom Ein- in den Aus-Zustand zu schalten“, sagt Bartlett. „Wir haben diese Klebeelemente eng mit einer Reihe optischer Mikro-LIDAR-Näherungssensoren integriert, die erkennen, wie nah ein Objekt ist.“
Die Forscher verbanden dann die Saugnäpfe und LIDAR über einen Mikrocontroller zur Echtzeit-Objekterkennung und Adhäsionskontrolle.
Handschuh mit synthetischen Saugnäpfen und Sensoren
Unter Wasser windet ein Oktopus seine Arme um Objekte und kann sich mit seinen Saugnäpfen an einer Vielzahl von Oberflächen festsetzen, darunter Felsen, glatte Muscheln und raue Seepocken. Bartlett und Kollegen ahmten dies nach, indem sie einen Handschuh mit synthetischen Saugnäpfen und Sensoren herstellten, die eng miteinander verbunden waren. Dieses Gerät mit dem Namen Octa-Glove kann unter Wasser unterschiedlich geformte Objekte erkennen. Dadurch wird der Klebstoff automatisch ausgelöst, sodass das Objekt manipuliert werden kann.
„Durch die Verschmelzung weicher, reaktionsfähiger Klebematerialien mit eingebetteter Elektronik können wir Objekte greifen, ohne sie zusammendrücken zu müssen“, sagte Bartlett. „Es macht den Umgang mit nassen oder Unterwasserobjekten viel einfacher und natürlicher. Die Elektronik kann die Haftung schnell aktivieren und lösen. Bewegen Sie einfach Ihre Hand auf ein Objekt zu und der Handschuh erledigt die Arbeit zum Greifen. Das alles ist möglich, ohne dass der Benutzer eine einzige Taste drückt.“
Diese Fähigkeiten, die die fortschrittliche Manipulation, Erfassung und Steuerung von Kopffüßern nachahmen, könnten Anwendungen im Bereich der weichen Robotik für das Greifen unter Wasser, Anwendungen in benutzergestützten Technologien und im Gesundheitswesen sowie in der Fertigung zum Zusammenbau und Manipulieren von nassen Objekten finden, sagt er Physik-Welt.
Mehrere Greifmodi
Vom Oktopus inspirierter Klebstoff könnte Wunden heilen
In ihren Experimenten testeten die Forscher mehrere Greifmodi. Sie verwendeten einen einzigen Sensor, um empfindliche, leichte Objekte zu manipulieren, und stellten fest, dass sie flache Objekte, Metallspielzeug, Zylinder, einen Löffel und einen ultraweichen Hydrogelball schnell aufnehmen und loslassen konnten. Indem die Sensoren dann so umkonfiguriert wurden, dass mehrere Sensoren aktiviert wurden, konnten sie größere Objekte wie einen Teller, eine Schachtel und eine Schüssel greifen.
Das Team von Virginia Tech berichtet über seine Arbeit in Wissenschaft Fortschritte, sagt, dass es noch viel zu lernen gibt, sowohl darüber, wie der Oktopus die Adhäsion kontrolliert als auch Unterwasserobjekte manipuliert. „Wenn wir das natürliche System besser verstehen können, wird dies die Entwicklung fortschrittlicherer bioinspirierter, technischer Systeme ermöglichen“, sagt Bartlett.
