Вдохновленные тем, как работает кожа на руках осьминога, исследователи из Технологического института Вирджинии в США разработали новый быстросменный клей, который надежно прилипает к объектам под водой. Материал может найти применение в робототехнике, здравоохранении и производстве для сборки и манипулирования влажными предметами.
Клеи, которые работают под водой, трудно изготовить. Это связано с тем, что водородные связи, ван-дер-ваальсовы и электростатические силы, которые обеспечивают адгезию в сухой среде, гораздо менее эффективны в воде. Однако животный мир содержит множество примеров сильной адгезии во влажных условиях: мидии выделяют специальные адгезивные белки, образующие липкий налет, который прикрепляется к влажным поверхностям; лягушки направляют жидкость через структурированные подушечки пальцев, чтобы активировать капиллярные и гидродинамические силы; а головоногие, такие как осьминоги, используют присоски, чтобы присасываться к поверхностям.
Прочное клеевое соединение
Захваты головоногих особенно хороши для удержания предметов под водой. У осьминогов, например, восемь длинных рук, покрытых присосками, которые могут цепляться за предметы, как за добычей. По форме напоминающие конец вантуза сантехника, присоски прилипают к объекту, быстро создавая прочную клейкую связь, которую трудно разорвать. «Слипание можно быстро активировать и снять», — объясняет руководитель исследовательской группы. Майкл Бартлетт, «а осьминог контролирует более 2000 присосок на восьми руках, обрабатывая информацию от различных химических и механических датчиков».
Действительно, сенсорный аппарат осьминога состоит из системы фоторецепции, которая использует его глаза; механорецепторы, которые обнаруживают поток жидкости, давление и контакт; тактильные датчики хеморецепции. Каждая присоска контролируется независимо, чтобы активировать или снять адгезию, чего нет в синтетических клеях.
Новый клей, вдохновленный осьминогом Virginia Tech, состоит из стержня из силиконового эластомера, покрытого эластичной эластомерной мембраной с пневматическим приводом для контроля адгезии. Стебель изготавливается с помощью форм для 3D-печати, а затем отливается и отверждается силиконовый эластомер. Адгезивный элемент соединен с источником давления, который обеспечивает положительное, нейтральное и отрицательное давление для управления формой активной мембраны.
«Эта конструкция позволяет нам переключать адгезию 450 раз из состояния «включено» в состояние «выключено» менее чем за 50 мс, — говорит Бартлетт. «Мы тесно интегрировали эти клейкие элементы с массивом оптических датчиков приближения микролидаров, которые определяют, насколько близко находится объект».
Затем исследователи соединили присоски и LIDAR через микроконтроллер для обнаружения объектов в реальном времени и контроля сцепления.
Перчатка с синтетическими присосками и датчиками
Под водой осьминог обвивает руками предметы и может прикрепляться к различным поверхностям, включая камни, гладкие раковины и шероховатые ракушки, используя свои присоски. Бартлетт и его коллеги подражали этому, изготовив перчатку с синтетическими присосками и датчиками, плотно интегрированными друг с другом. Это устройство, получившее название Octa-glove, может обнаруживать под водой объекты различной формы. Это автоматически активирует клей, чтобы можно было манипулировать объектом.
«Объединяя мягкие, чувствительные клейкие материалы со встроенной электроникой, мы можем захватывать объекты, не сжимая их», — сказал Бартлетт. «Это делает работу с мокрыми или подводными объектами намного проще и естественнее. Электроника может быстро активировать и снять адгезию. Просто поднесите руку к объекту, и перчатка сделает всю работу по захвату. Все это можно сделать без нажатия пользователем одной кнопки».
Эти возможности, которые имитируют передовые манипуляции, восприятие и управление головоногими, могут найти применение в области мягкой робототехники для подводного захвата, применения в технологиях с помощью пользователя и здравоохранении, а также в производстве для сборки и манипулирования мокрыми объектами, говорит он. Мир физики.
Несколько режимов захвата
Клей, вдохновленный осьминогом, может залечивать раны
В своих экспериментах исследователи проверили несколько режимов захвата. Они использовали один датчик для манипулирования хрупкими и легкими предметами и обнаружили, что могут быстро поднимать и отпускать плоские предметы, металлические игрушки, цилиндры, ложки и ультрамягкие шарики из гидрогеля. Затем, перенастроив датчики так, чтобы было активировано несколько датчиков, они могли захватывать более крупные объекты, такие как тарелка, коробка и миска.
Команда Технологического института Вирджинии, сообщающая о своей работе в Наука развивается, говорит, что еще многое предстоит узнать, как о том, как осьминоги контролируют адгезию, так и манипулируют подводными объектами. «Если мы сможем лучше понять природную систему, это позволит создавать более совершенные биоинженерные системы», — говорит Бартлетт.
