Натхненні тим, як працює шкіра на руках восьминога, дослідники з Virginia Tech у США розробили новий клей, який швидко перемикається, який надійно приклеюється до об’єктів під водою. Матеріал може знайти застосування в робототехніці, охороні здоров'я та на виробництві для збирання та маніпулювання мокрими предметами.
Клеї, які діють під водою, важко зробити. Це пов’язано з тим, що водневі зв’язки, ван-дер-ваальсові та електростатичні сили, які забезпечують адгезію в сухому середовищі, набагато менш ефективні у воді. Тваринний світ, однак, містить багато прикладів сильної адгезії у вологих умовах: мідії виділяють спеціальні клейкі білки, створюючи липкий наліт для прикріплення до вологих поверхонь; жаби пропускають рідину через структуровані подушечки пальців ніг, щоб активувати капілярні та гідродинамічні сили; а головоногі, такі як восьминіг, використовують присоски, щоб прилипати до поверхні за допомогою всмоктування.
Міцне клейове з’єднання
Захвати для головоногих молюсків особливо добре тримають речі під водою. Восьминоги, наприклад, мають вісім довгих рук, покритих присосками, які можуть хапатися за предмети, як за здобич. Маючи форму кінця поршня водопровідника, присоски прилипають до предмета, швидко створюючи міцний клейовий зв’язок, який важко розірвати. «Адгезію можна швидко активувати та звільнити», — пояснює керівник дослідницької групи Майкл Бартлетт, «і восьминіг контролює понад 2000 присосок на восьми рукавах, обробляючи інформацію від різноманітних хімічних і механічних датчиків».
Дійсно, сенсорний апарат восьминога складається з системи фоторецепції, яка використовує його очі; механорецептори, які визначають потік рідини, тиск і контакт; та хеморецепційні тактильні датчики. Кожна присоска незалежно контролюється для активації або звільнення адгезії – чого немає в синтетичних клеях.
Новий клей, натхненний восьминогами Virginia Tech, складається з силіконової еластомерної ніжки, покритої еластичною еластомерною мембраною з пневматичним приводом для контролю адгезії. Стебло виготовляється за допомогою форм для 3D-друку, а силіконовий еластомер потім відливається та затверджується. Адгезивний елемент з’єднаний з джерелом тиску, який створює позитивний, нейтральний і негативний тиск для контролю форми активної мембрани.
«Ця конструкція дозволяє нам 450 разів перемикати адгезію з увімкненого стану на вимкнений менш ніж за 50 мс», — каже Бартлетт. «Ми тісно інтегрували ці клейкі елементи з масивом оптичних датчиків наближення micro-LIDAR, які визначають, наскільки близько знаходиться об’єкт».
Потім дослідники з’єднали присоски та LIDAR через мікроконтролер для виявлення об’єктів у реальному часі та контролю адгезії.
Рукавичка з синтетичними присосками і датчиками
Під водою восьминіг обертає руками предмети і може прикріплюватися до різноманітних поверхонь, у тому числі до каменів, гладких раковин і шорстких раковин за допомогою своїх присосок. Бартлетт і його колеги імітували це, створивши рукавичку з синтетичними присосками та датчиками, щільно інтегрованими разом. Цей пристрій, який отримав назву Octa-glove, може виявляти під водою об’єкти різної форми. Це автоматично активує клей, щоб об’єктом можна було маніпулювати.
«Завдяки поєднанню м’яких, чутливих клейових матеріалів із вбудованою електронікою ми можемо хапати об’єкти, не стискаючи їх», — сказав Бартлетт. «Це робить роботу з мокрими або підводними предметами набагато легшою та природнішою. Електроніка може швидко активувати та звільнити адгезію. Просто потягніть руку до предмета, і рукавичка зробить всю роботу, щоб схопити. Це все можна зробити без натискання користувачем жодної кнопки».
Ці можливості, які імітують передові маніпуляції, відчуття та контроль головоногих молюсків, можуть знайти застосування в області м’якої робототехніки для підводного захоплення, застосування в технологіях, які допомагають користувачам, і в охороні здоров’я, а також у виробництві для складання та маніпулювання вологими предметами, розповідає він. Світ фізики.
Кілька режимів захоплення
Клей, натхненний восьминогами, може загоювати рани
У своїх експериментах дослідники перевірили кілька режимів захоплення. Вони використовували єдиний датчик для маніпулювання делікатними, легкими об’єктами та виявили, що вони можуть швидко брати та відпускати плоскі об’єкти, металеві іграшки, циліндри, ложку та надм’яку гідрогелеву кульку. Переконфігурувавши датчики так, щоб було активовано кілька датчиків, вони могли захоплювати більші об’єкти, такі як тарілка, коробка та миска.
Команда Virginia Tech звітує про свою роботу в Наука розвивається, каже, що ще багато чого потрібно дізнатися, як про те, як восьминіг контролює прилипання, так і про те, як маніпулює підводними об’єктами. «Якщо ми зможемо краще зрозуміти природну систему, це дозволить створити більш просунуті біотехнічні системи», — каже Бартлетт.
