Geïnspireerd door de manier waarop de huid van octopusarmen werkt, hebben onderzoekers van Virginia Tech in de VS een nieuwe, snel verwisselbare lijm ontwikkeld die stevig op objecten onder water blijft plakken. Het materiaal kan worden gebruikt in robotica, de gezondheidszorg en in de productie voor het samenstellen en manipuleren van natte objecten.
Lijmen die onder water werken zijn moeilijk te maken. Dit komt omdat de waterstofbruggen en van der Waals- en elektrostatische krachten die hechting in droge omgevingen bemiddelen, veel minder effectief zijn in water. De dierenwereld kent echter tal van voorbeelden van sterke hechting in vochtige omstandigheden: mosselen scheiden speciale hechtende eiwitten af, waardoor een plakkerige plak ontstaat die zich op natte oppervlakken hecht; kikkers leiden vloeistof door gestructureerde teenkussentjes om capillaire en hydrodynamische krachten te activeren; en koppotigen zoals de octopus gebruiken zuignappen om zich via zuigkracht aan oppervlakken te hechten.
Sterke lijmverbinding
Cephalopod-grijpers zijn bijzonder goed in het vasthouden van dingen onder water. Octopussen hebben bijvoorbeeld acht lange armen bedekt met zuignappen die objecten zoals prooien kunnen grijpen. De zuignappen hebben de vorm van het uiteinde van de plunjer van een loodgieter en hechten zich aan een object, waardoor snel een sterke, moeilijk te verbreken lijmverbinding ontstaat. "De adhesie kan snel worden geactiveerd en vrijgegeven", legt de leider van het studieteam uit Michaël Bartlett, "en de octopus bestuurt meer dan 2000 zuignappen over acht armen door informatie van verschillende chemische en mechanische sensoren te verwerken."
Het waarnemingsapparaat van een octopus bestaat inderdaad uit een foto-ontvangstsysteem dat zijn ogen gebruikt; mechanoreceptoren die vloeistofstroom, druk en contact detecteren; en chemoreceptie tactiele sensoren. Elke zuignap wordt onafhankelijk aangestuurd om hechting te activeren of los te laten - iets dat niet bestaat in synthetische lijmen.
De nieuwe op octopus geïnspireerde lijm van Virginia Tech bestaat uit een steel van siliconenelastomeer die is afgedekt met een rekbaar pneumatisch geactiveerd elastomeermembraan om de hechting te regelen. De steel wordt gemaakt door middel van 3D-printvormen en het siliconenelastomeer wordt vervolgens gegoten en uitgehard. Het kleefelement is verbonden met een drukbron die positieve, neutrale en negatieve druk levert om de vorm van het actieve membraan te regelen.
"Dit ontwerp stelt ons in staat om de adhesie 450 keer om te schakelen van de aan- naar de uit-status in minder dan 50 ms", zegt Bartlett. "We hebben deze zelfklevende elementen nauw geïntegreerd met een reeks micro-LIDAR optische naderingssensoren die detecteren hoe dichtbij een object is."
De onderzoekers verbonden vervolgens de sukkels en LIDAR via een microcontroller voor realtime objectdetectie en adhesiecontrole.
Handschoen met synthetische zuignappen en sensoren
Onder water wikkelt een octopus zijn armen om objecten en kan hij zich met zijn zuignappen hechten aan verschillende oppervlakken, waaronder rotsen, gladde schelpen en ruwe zeepokken. Bartlett en collega's bootsten dit na door een handschoen te maken met synthetische zuignappen en sensoren die nauw in elkaar zijn geïntegreerd. Dit apparaat, Octa-glove genaamd, kan onder water verschillend gevormde objecten detecteren. Hierdoor wordt de lijm automatisch geactiveerd, zodat het object kan worden gemanipuleerd.
"Door zachte, responsieve zelfklevende materialen samen te voegen met ingebedde elektronica, kunnen we objecten vastpakken zonder te hoeven knijpen", zegt Bartlett. “Het maakt het hanteren van natte of onderwaterobjecten veel gemakkelijker en natuurlijker. De elektronica kan hechting snel activeren en loslaten. Beweeg gewoon uw hand naar een object en de handschoen doet het werk om vast te pakken. Het kan allemaal zonder dat de gebruiker op een enkele knop hoeft te drukken.”
Deze mogelijkheden, die de geavanceerde manipulatie, detectie en controle van koppotigen nabootsen, zouden toepassingen kunnen vinden op het gebied van zachte robotica voor onderwatergrijpen, toepassingen in door de gebruiker ondersteunde technologieën en gezondheidszorg, en in de productie voor het samenstellen en manipuleren van natte objecten, vertelt hij. Natuurkunde wereld.
Verschillende grijpmodi
Octopus-geïnspireerde lijm kan wonden genezen
In hun experimenten testten de onderzoekers verschillende grijpmodi. Ze gebruikten een enkele sensor om delicate, lichtgewicht voorwerpen te manipuleren en ontdekten dat ze platte voorwerpen, metalen speelgoed, cilinders, een lepel en een ultrazachte hydrogelbal snel konden oppakken en loslaten. Door de sensoren vervolgens opnieuw te configureren zodat meerdere sensoren werden geactiveerd, konden ze grotere objecten vastgrijpen, zoals een bord, een doos en een kom.
Het Virginia Tech-team, dat zijn werk rapporteert in Wetenschap Advances, zegt dat er nog veel te leren is, zowel over hoe de octopus de adhesie regelt als over het manipuleren van onderwaterobjecten. "Als we het natuurlijke systeem beter kunnen begrijpen, zal dit het mogelijk maken om meer geavanceerde bio-geïnspireerde, geconstrueerde systemen te creëren", zegt Bartlett.
