Zainspirowani sposobem, w jaki działa skóra na ramionach ośmiornicy, naukowcy z Virginia Tech w USA opracowali nowy, szybko przełączalny klej, który bezpiecznie przykleja się do obiektów pod wodą. Materiał może znaleźć zastosowanie w robotyce, opiece zdrowotnej i produkcji do montażu i manipulowania mokrymi przedmiotami.
Kleje działające pod wodą są trudne do wykonania. Dzieje się tak, ponieważ wiązania wodorowe i siły van der Waalsa oraz siły elektrostatyczne, które pośredniczą w adhezji w suchym środowisku, są znacznie mniej skuteczne w wodzie. Świat zwierząt zawiera jednak wiele przykładów silnej adhezji w wilgotnych warunkach: małże wydzielają specjalne białka adhezyjne, tworząc lepką płytkę, która przyczepia się do mokrych powierzchni; żaby przepuszczają płyn przez strukturalne opuszki palców, aby aktywować siły kapilarne i hydrodynamiczne; a głowonogi, takie jak ośmiornica, używają przyssawek do przylegania do powierzchni poprzez ssanie.
Silne wiązanie kleju
Chwytaki głowonogów są szczególnie dobre do trzymania rzeczy pod wodą. Na przykład ośmiornice mają osiem długich ramion pokrytych przyssawkami, które mogą chwytać przedmioty takie jak zdobycz. Przyssawki w kształcie końcówki hydraulicznego tłoka przylegają do przedmiotu, szybko tworząc mocne wiązanie, które jest trudne do zerwania. „Adhezję można szybko aktywować i uwalniać”, wyjaśnia kierownik zespołu badawczego Michaela Bartletta, „a ośmiornica kontroluje ponad 2000 przyssawek na ośmiu ramionach, przetwarzając informacje z różnych czujników chemicznych i mechanicznych”.
Rzeczywiście, aparat sensoryczny ośmiornicy składa się z systemu fotorecepcji, który wykorzystuje jej oczy; mechanoreceptory, które wykrywają przepływ płynu, ciśnienie i kontakt; i czujniki dotykowe chemorecepcji. Każda przyssawka jest niezależnie kontrolowana, aby aktywować lub uwalniać przyczepność – coś, co nie występuje w klejach syntetycznych.
Nowy klej inspirowany ośmiornicą Virginia Tech składa się z łodygi z elastomeru silikonowego pokrytej rozciągliwą, uruchamianą pneumatycznie membraną elastomerową w celu kontrolowania przyczepności. Łodyga jest wytwarzana za pomocą form do drukowania 3D, a elastomer silikonowy jest następnie odlewany i utwardzany. Element klejący jest połączony ze źródłem ciśnienia, które dostarcza dodatnie, obojętne i ujemne ciśnienie w celu kontrolowania kształtu aktywnej membrany.
„Ten projekt pozwala nam przełączyć przyczepność 450 razy ze stanu włączenia do stanu wyłączenia w czasie krótszym niż 50 ms”, mówi Bartlett. „Ściśle zintegrowaliśmy te elementy samoprzylepne z szeregiem optycznych czujników zbliżeniowych micro-LIDAR, które wykrywają, jak blisko znajduje się obiekt”.
Następnie badacze połączyli przyssawki i LIDAR za pomocą mikrokontrolera w celu wykrywania obiektów w czasie rzeczywistym i kontroli adhezji.
Rękawica z syntetycznymi przyssawkami i czujnikami
Pod wodą ośmiornica owija ramiona wokół przedmiotów i może przyczepiać się do różnych powierzchni, w tym skał, gładkich muszli i szorstkich pąkli, używając przyssawek. Bartlett i koledzy naśladowali to, tworząc rękawicę z syntetycznymi przyssawkami i czujnikami ściśle ze sobą zintegrowanymi. To urządzenie, nazwane rękawicą Octa, może wykrywać pod wodą przedmioty o różnych kształtach. To automatycznie uruchamia klej, dzięki czemu można manipulować przedmiotem.
„Łącząc miękkie, elastyczne materiały samoprzylepne z wbudowaną elektroniką, możemy chwytać przedmioty bez konieczności ściskania” — powiedział Bartlett. „Dzięki temu obsługa mokrych lub podwodnych obiektów jest znacznie łatwiejsza i bardziej naturalna. Elektronika może szybko aktywować i uwalniać przyczepność. Wystarczy przesunąć rękę w kierunku przedmiotu, a rękawica wykona pracę, aby uchwycić. Wszystko to można zrobić bez naciskania przez użytkownika jednego przycisku.”
Te możliwości, które naśladują zaawansowaną manipulację, wykrywanie i kontrolę głowonogów, mogą znaleźć zastosowanie w dziedzinie miękkiej robotyki do chwytania pod wodą, w technologiach wspomaganych przez użytkownika i opiece zdrowotnej oraz w produkcji do montażu i manipulowania mokrymi przedmiotami, mówi. Świat Fizyki.
Kilka trybów chwytania
Klej inspirowany ośmiornicą może leczyć rany
W swoich eksperymentach naukowcy przetestowali kilka trybów chwytania. Wykorzystali pojedynczy czujnik do manipulowania delikatnymi, lekkimi przedmiotami i odkryli, że mogą szybko podnosić i uwalniać płaskie przedmioty, metalowe zabawki, cylindry, łyżkę i ultramiękką kulkę hydrożelową. Po zmianie konfiguracji czujników tak, aby aktywowało się wiele czujników, mogły one chwytać większe przedmioty, takie jak talerz, pudełko i miska.
Zespół Virginia Tech, zgłaszając swoją pracę w Postępy nauki, mówi, że wciąż trzeba się wiele nauczyć, zarówno o tym, jak ośmiornica kontroluje adhezję i manipuluje podwodnymi obiektami. „Jeżeli będziemy mogli lepiej zrozumieć system naturalny, pozwoli to na stworzenie bardziej zaawansowanych, inspirowanych biologicznie, inżynieryjnych systemów” – mówi Bartlett.
