Inspirați de modul în care funcționează pielea brațelor de caracatiță, cercetătorii de la Virginia Tech din SUA au dezvoltat un nou adeziv cu comutare rapidă, care se lipește în siguranță de obiectele aflate sub apă. Materialul ar putea fi folosit în robotică, asistență medicală și în producție pentru asamblarea și manipularea obiectelor umede.
Adezivii care funcționează sub apă sunt dificil de realizat. Acest lucru se datorează faptului că legăturile de hidrogen și forțele van der Waals și electrostatice care mediază aderența în medii uscate sunt mult mai puțin eficiente în apă. Lumea animală, totuși, conține o mulțime de exemple de aderență puternică în condiții umede: midiile secretă proteine speciale adezive, creând o placă lipicioasă care să se lipească de suprafețele umede; broaștele canalizează fluidul prin pernițele structurate ale degetelor pentru a activa forțele capilare și hidrodinamice; iar cefalopodele precum caracatița folosesc ventuze pentru a adera la suprafețe prin aspirație.
Legatura adeziva puternica
Clemele pentru cefalopode sunt deosebit de bune pentru a ține lucrurile sub apă. Caracatiței, de exemplu, au opt brațe lungi acoperite cu ventuze care se pot apuca de obiecte precum prada. În formă de capătul pistonului unui instalator, ventuzele aderă la un obiect, creând rapid o legătură puternică de adeziv, greu de rupere. „Aderența poate fi activată și eliberată rapid”, explică liderul echipei de studiu Michael Bartlett, „iar caracatița controlează peste 2000 de ventuze din opt brațe prin procesarea informațiilor de la diverși senzori chimici și mecanici”.
Într-adevăr, un aparat de detectare al caracatiței constă dintr-un sistem de fotorecepție care își folosește ochii; mecanoreceptori care detectează fluxul de fluid, presiunea și contactul; și senzori tactili de chemorecepție. Fiecare ventuză este controlată independent pentru a activa sau elibera aderența - ceva care nu există în adezivii sintetici.
Noul adeziv inspirat de caracatiță Virginia Tech constă dintr-o tulpină de elastomer siliconic acoperită cu o membrană elastomeră extensibilă acționată pneumatic pentru a controla aderența. Tulpina este realizată prin matrițe de imprimare 3D, iar elastomerul de silicon este apoi turnat și întărit. Elementul adeziv este conectat la o sursă de presiune care furnizează presiune pozitivă, neutră și negativă pentru a controla forma membranei active.
„Acest design ne permite să comutăm aderența de 450 de ori de la starea de pornire la starea oprită în mai puțin de 50 ms”, spune Bartlett. „Am integrat strâns aceste elemente adezive cu o serie de senzori optici de proximitate micro-LIDAR care detectează cât de aproape este un obiect.”
Cercetătorii au conectat apoi ventuzele și LIDAR printr-un microcontroler pentru detectarea în timp real a obiectelor și controlul aderenței.
Mănușă cu ventuze și senzori sintetici
Sub apă, o caracatiță își înfășoară brațele în jurul obiectelor și se poate atașa de o varietate de suprafețe, inclusiv de roci, cochilii netede și lipițe aspre folosind ventuzele sale. Bartlett și colegii au imitat acest lucru făcând o mănușă cu ventuze sintetice și senzori strâns integrați împreună. Acest dispozitiv, numit Octa-glove, poate detecta obiecte cu forme diferite sub apă. Acest lucru declanșează automat adezivul, astfel încât obiectul să poată fi manipulat.
„Prin îmbinarea materialelor adezive moi, receptive cu electronice încorporate, putem prinde obiecte fără a fi nevoie să strângem”, a spus Bartlett. „Face manipularea obiectelor umede sau subacvatice mult mai ușoară și mai naturală. Electronica se poate activa și elibera rapid aderența. Doar mutați mâna spre un obiect, iar mănușa face treaba pentru a prinde. Totul se poate face fără ca utilizatorul să apese un singur buton.”
Aceste capabilități, care imită manipularea, detectarea și controlul avansat al cefalopodelor, ar putea găsi aplicații în domeniul roboticii moi pentru prinderea subacvatică, aplicații în tehnologii asistate de utilizator și asistență medicală și în fabricarea pentru asamblarea și manipularea obiectelor umede, spune el. Lumea fizicii.
Mai multe moduri de prindere
Adezivul inspirat de caracatiță ar putea vindeca rănile
În experimentele lor, cercetătorii au testat mai multe moduri de prindere. Ei au folosit un singur senzor pentru a manipula obiecte delicate și ușoare și au descoperit că pot ridica și elibera rapid obiecte plate, jucării metalice, cilindri, o lingură și o minge de hidrogel ultramoale. Până atunci, reconfigurând senzorii astfel încât să fie activați mai mulți senzori, aceștia ar putea prinde obiecte mai mari, cum ar fi farfuria, o cutie și un bol.
Echipa Virginia Tech, și-a raportat activitatea în Avansuri de știință, spune că mai sunt multe de învățat, atât despre modul în care caracatița controlează aderența, cât și despre cum manipulează obiectele subacvatice. „Dacă putem înțelege mai bine sistemul natural, acest lucru va permite să creăm sisteme mai avansate de inginerie bio-inspirată”, spune Bartlett.
