Inspirerade av hur huden på bläckfiskarmar fungerar, har forskare vid Virginia Tech i USA utvecklat ett nytt snabbt växlingsbart lim som fäster säkert på föremål under vattnet. Materialet skulle kunna användas inom robotik, sjukvård och i tillverkning för montering och manipulering av våta föremål.
Lim som fungerar under vatten är svåra att tillverka. Detta beror på att vätebindningarna och van der Waals och elektrostatiska krafter som medierar vidhäftning i torra miljöer är mycket mindre effektiva i vatten. Djurvärlden innehåller dock massor av exempel på stark vidhäftning i fuktiga förhållanden: musslor utsöndrar speciella vidhäftande proteiner, vilket skapar en klibbig plack att fästa på våta ytor; grodor kanaliserar vätska genom strukturerade tåskydd för att aktivera kapillära och hydrodynamiska krafter; och bläckfiskar som bläckfisken använder sugkoppar för att fästa vid ytor via sug.
Stark vidhäftande bindning
Bläckfiskgripare är särskilt bra på att hålla saker under vattnet. Octopi, till exempel, har åtta långa armar täckta med sossar som kan ta tag i föremål som bytesdjur. Formad som änden på en rörmokares kolv fäster sugkopparna på ett föremål, vilket snabbt skapar en stark vidhäftande bindning som är svår att bryta. "Vidhäftningen kan snabbt aktiveras och släppas", förklarar studiegruppsledaren Michael Bartlett, "och bläckfisken kontrollerar över 2000 suckers över åtta armar genom att bearbeta information från olika kemiska och mekaniska sensorer."
En bläckfisks avkänningsapparat består faktiskt av ett fotoreceptionssystem som använder sina ögon; mekanoreceptorer som detekterar vätskeflöde, tryck och kontakt; och kemoreception taktila sensorer. Varje sugare styrs oberoende för att aktivera eller släppa vidhäftning – något som inte finns i syntetiska lim.
Det nya Virginia Tech bläckfisk-inspirerade limmet består av en silikonelastomerskaft täckt med ett töjbart pneumatiskt aktiverat elastomermembran för att kontrollera vidhäftningen. Stjälken är gjord av 3D-utskriftsformar och silikonelastomeren gjuts sedan och härdas. Det adhesiva elementet är anslutet till en tryckkälla som tillhandahåller positivt, neutralt och negativt tryck för att kontrollera formen på det aktiva membranet.
"Denna design gör att vi kan byta vidhäftning 450 gånger från på till tillstånd på mindre än 50 ms", säger Bartlett. "Vi integrerade tätt dessa självhäftande element med en rad optiska mikro-LIDAR-sensorer som känner av hur nära ett objekt är."
Forskarna kopplade sedan ihop sugkopparna och LIDAR genom en mikrokontroller för objektdetektering och vidhäftningskontroll i realtid.
Handske med syntetiska sugkoppar och sensorer
Under vattnet slingrar en bläckfisk armarna runt föremål och kan fästa på en mängd olika ytor, inklusive stenar, släta skal och grova havstulpaner med hjälp av sina socker. Bartlett och kollegor härmade detta genom att göra en handske med syntetiska sugkoppar och sensorer tätt integrerade tillsammans. Den här enheten, kallad Octa-glove, kan upptäcka olika formade föremål under vattnet. Detta utlöser automatiskt limmet så att föremålet kan manipuleras.
"Genom att slå samman mjuka, lyhörda självhäftande material med inbäddad elektronik kan vi greppa föremål utan att behöva klämma", sa Bartlett. "Det gör hanteringen av våta eller undervattensföremål mycket lättare och mer naturlig. Elektroniken kan aktivera och släppa vidhäftning snabbt. Flytta bara handen mot ett föremål, och handsken gör jobbet för att greppa. Allt kan göras utan att användaren trycker på en enda knapp.”
Dessa förmågor, som efterliknar avancerad manipulation, avkänning och kontroll av bläckfiskar, kan hitta tillämpningar inom området mjuk robotik för undervattensgrepp, tillämpningar inom användarassisterad teknik och hälsovård, och inom tillverkning för montering och manipulering av våta föremål, berättar han. Fysikvärlden.
Flera grepplägen
Bläckfisk-inspirerat lim kan läka sår
I sina experiment testade forskarna flera grepplägen. De använde en enda sensor för att manipulera känsliga, lätta föremål och fann att de snabbt kunde plocka upp och släppa platta föremål, metallleksaker, cylindrar, en sked och en ultramjuk hydrogelboll. Genom att sedan konfigurera om sensorerna till att flera sensorer aktiverades kunde de greppa större föremål som tallrik, en låda och en skål.
Virginia Tech-teamet rapporterar sitt arbete i Vetenskap Förskott, säger att det fortfarande finns mycket att lära, både om hur bläckfisken kontrollerar vidhäftning och manipulerar undervattensobjekt. "Om vi bättre kan förstå det naturliga systemet kommer detta att göra det möjligt att skapa mer avancerade bioinspirerade, konstruerade system", säger Bartlett.
