Inspirert av måten huden på blekksprutarmer fungerer på, har forskere ved Virginia Tech i USA utviklet et nytt, raskt byttebart lim som fester seg sikkert til gjenstander under vann. Materialet kan finne bruk i robotikk, helsevesen og i produksjon for montering og manipulering av våte gjenstander.
Lim som fungerer under vann er vanskelig å lage. Dette er fordi hydrogenbindingene og van der Waals og elektrostatiske krefter som medierer adhesjon i tørre miljøer er mye mindre effektive i vann. Dyreverdenen inneholder imidlertid mange eksempler på sterk vedheft under fuktige forhold: blåskjell skiller ut spesielle klebeproteiner, og skaper en klebrig plakk som festes til våte overflater; frosker kanaliserer væske gjennom strukturerte tåputer for å aktivere kapillære og hydrodynamiske krefter; og blekkspruter som blekksprut bruker suger for å feste seg til overflater via sug.
Sterk limbinding
Cephalopod-gripere er spesielt gode til å holde ting under vann. Blekkspruter, for eksempel, har åtte lange armer dekket med suger som kan gripe tak i gjenstander som byttedyr. Utformet som enden av en rørleggers stempel, fester sugerne seg til en gjenstand, og skaper raskt en sterk limbinding som er vanskelig å bryte. "Adhesjonen kan raskt aktiveres og frigjøres," forklarer studieteamleder Michael Bartlett, "og blekkspruten kontrollerer over 2000 sugere over åtte armer ved å behandle informasjon fra forskjellige kjemiske og mekaniske sensorer."
En blekkspruts sanseapparat består faktisk av et fotoresepsjonssystem som bruker øynene; mekanoreseptorer som oppdager væskestrøm, trykk og kontakt; og kjemoresepsjon taktile sensorer. Hver suger er uavhengig kontrollert for å aktivere eller frigjøre vedheft - noe som ikke finnes i syntetiske lim.
Det nye Virginia Tech blekksprut-inspirerte limet består av en silikonelastomerstilk dekket med en strekkbar pneumatisk aktivert elastomermembran for å kontrollere vedheft. Stilken er laget av 3D-utskriftsformer og silikonelastomeren blir deretter støpt og herdet. Det klebende elementet er koblet til en trykkkilde som gir positivt, nøytralt og negativt trykk for å kontrollere formen på den aktive membranen.
"Denne designen lar oss bytte adhesjon 450 ganger fra på til av-tilstand på mindre enn 50 ms," sier Bartlett. "Vi integrerte disse selvklebende elementene tett med en rekke mikro-LIDAR optiske nærhetssensorer som registrerer hvor nært et objekt er."
Forskerne koblet deretter sugerne og LIDAR gjennom en mikrokontroller for gjenstandsdeteksjon og adhesjonskontroll i sanntid.
Hanske med syntetiske sugere og sensorer
Under vann slynger en blekksprut armene rundt gjenstander og kan feste seg til en rekke forskjellige overflater, inkludert steiner, glatte skjell og grove stanger ved å bruke sugene. Bartlett og kollegene etterlignet dette ved å lage en hanske med syntetiske sugere og sensorer tett integrert sammen. Denne enheten, kalt Octa-glove, kan oppdage forskjellig formede gjenstander under vann. Dette utløser automatisk limet slik at objektet kan manipuleres.
"Ved å slå sammen myke, responsive selvklebende materialer med innebygd elektronikk, kan vi gripe gjenstander uten å måtte klemme," sa Bartlett. "Det gjør håndtering av våte eller undervannsobjekter mye enklere og mer naturlig. Elektronikken kan aktivere og frigjøre vedheft raskt. Bare flytt hånden mot en gjenstand, og hansken gjør jobben med å gripe. Alt kan gjøres uten at brukeren trykker på en eneste knapp."
Disse egenskapene, som etterligner den avanserte manipulasjonen, sansingen og kontrollen av blekksprut, kan finne anvendelser innen myk robotikk for undervannsgrep, applikasjoner i brukerassisterte teknologier og helsevesen, og i produksjon for montering og manipulering av våte gjenstander, forteller han. Fysikkens verden.
Flere gripemoduser
Blekksprut-inspirert lim kan helbrede sår
I sine eksperimenter testet forskerne flere gripemoduser. De brukte en enkelt sensor for å manipulere delikate, lette gjenstander og fant ut at de raskt kunne plukke opp og frigjøre flate gjenstander, metallleker, sylindre, en skje og en ultramyk hydrogelkule. Ved deretter å rekonfigurere sensorene til at flere sensorer ble aktivert, kunne de gripe større gjenstander som tallerken, en boks og en bolle.
Virginia Tech-teamet rapporterer sitt arbeid i Vitenskap Fremskritt, sier at det fortsatt er mye å lære, både om hvordan blekkspruten kontrollerer vedheft og manipulerer undervannsobjekter. "Hvis vi bedre kan forstå det naturlige systemet, vil dette tillate å lage mer avanserte bioinspirerte, konstruerte systemer," sier Bartlett.
