Op gecko geïnspireerde lijmen laten mensen muren beklimmen

In de film Mission: Impossible - Ghost Protocol van 2011 beklimt Tom Cruise de buitenkant van 's werelds hoogste gebouw, Dubai's Burj Khalifa, met niets meer dan een paar handschoenen. Nu hebben wetenschappers het echte werk bedacht: handgekleurde, door gecko geïnspireerde kleefstoffen die een mens glazen wanden kunnen optillen - en die op een dag zelfs ruimteafval kan vangen.

"Dit is een van de meest opwindende dingen die ik in jaren heb gezien", zegt biomechanist Kellar Autumn van Lewis & Clark College in Portland, Oregon, die niet betrokken was bij de studie. "Dit is een echte droom van mij geweest."

Gekko's rennen langs muren en rennen over plafonds met behulp van kleine rijen haren op hun voeten. De haren, bekend als setae, genereren een veelvoud aan zwakke attracties tussen moleculen op de twee oppervlakken die samen een veilige positie vormen. Bovendien is het maken en verbreken van de bindingen die individuele setae aan een oppervlak houden eenvoudig. Dus, in tegenstelling tot lijm of tape, hechten de plakkerige voeten van een gekko zich moeiteloos los, een eigenschap benijd door mechanische ingenieurs.

Wetenschappers hebben een geckolike hechting nagebootst met siliconen, kunststoffen, koolstofnanobuisjes en andere materialen, maar ze hebben een schaalprobleem gehad: de plakkerigheid neemt af wanneer de lijm een ​​paar vierkante centimeter overschrijdt, wat de praktische toepassingen ernstig beperkt. Zelfs de gekko heeft dit probleem niet opgelost, zegt Autumn. In theorie is elk gekkohaar zo plakkerig dat het dier, dat ongeveer 6, 5 miljoen setae heeft, een linebacker van 130 kilogram moet kunnen houden. In werkelijkheid kan een gekko slechts 2 kilogram tillen met zijn voorpoten.

Het schaalprobleem komt gedeeltelijk voort uit het feit dat ladingen niet uniform over grote lijmen worden verdeeld, melden onderzoekers van Stanford University in Palo Alto, Californië, in een studie die vandaag online is gepubliceerd in het Journal of the Royal Society Interface . In gekko-tenen bijvoorbeeld, staat slechts een fractie van de setae in nauw contact met het oppervlak, en degenen die de belasting niet gelijkelijk onderling delen. Dit kan zijn omdat de gekkohuid, net als een rubberen band, stijver wordt naarmate er meer kracht op wordt uitgeoefend, suggereert het team. Wanneer een gekko een muur oploopt, worden de setae ongelijk uitgerekt zodat op sommige meer kracht wordt uitgeoefend dan op andere. Dus sommige haren halen hun plakkerigheid maximaal, terwijl anderen onderbenut zijn of helemaal niet aan het oppervlak zijn gehecht. De plakkerigheid van een gekko-patch zou dus moeten toenemen als onderzoekers een manier vinden om krachten gelijkmatiger te verdelen.

Om hun kunstmatige gekko-lijm te maken, begon het Stanford-team met het maken van siliconen microwedges, die gekkohaar imiteerden. Ze assembleerden deze in 24 postzegelvormige tegels, die elk honderdduizenden microwedges bevatten. Het team verbond vervolgens de tegels met pezen met pezen en bevestigde ze op een achthoekige plaat. In tegenstelling tot de gekkohuid oefenen de veren dezelfde kracht uit op de tegels nadat ze over een bepaalde drempel zijn uitgerekt, waardoor de belastingen gelijkmatig over de tegels worden verdeeld. Hierdoor kon de geassembleerde pleister dezelfde kleefkracht bieden voor maten van een vierkante millimeter tot een menselijke hand. Zelfs als een afzonderlijke tegel afpelt, wordt het gewicht dat hij draagt ​​overgebracht naar tegels met de lichtste belastingen, waar de veren niet voorbij de drempel zijn uitgerekt, zodat het totale systeem plakkerig blijft.

Werktuigbouwkundige Elliot Hawkes van Stanford testte de nieuwe lijm door zijn voeten vast te maken aan voetsteunen die via een staaf met de pleisters waren verbonden. Hij ontdekte dat hij de pleisters gemakkelijk één voor één kon afpellen en ze met zijn handen aan een muur kon plakken Zo was de Ph.D. van 70 kilogram. student klom op een heldere decembermiddag achter zijn laboratorium een ​​glazen wand op (zie video). Aan het einde van de klim liet hij zelfs zijn beide handen in een duim omhoog terwijl de pleisters stevig aan de muur vastplakten, waardoor hij twee veilige voetsteunen kreeg.

Hoewel hij slechts 3, 6 meter klom, zegt Hawke dat de patches prima kunnen werken en hem naar de top van de Burj Khalifa kunnen dragen als hij niet te moe is om 830 meter omhoog te lopen, dat wil zeggen.

De zandstorm in Dubai die Cruise in de film bijna verijdelde, zou echter een probleem vormen, omdat het apparaat alleen op schone, gladde oppervlakken werkt, zegt Autumn. Maar daarin ligt de schoonheid van het systeem: het kan zich gemakkelijk aanpassen aan verschillende situaties, gewoon door de kleefstoftegels te vervangen door andere soorten geckolike lijmen > zoals echte gekkoharen.

Het team werkt nu samen met het Jet Propulsion Laboratory van NASA om robots met lijm te maken die ruimteafval kunnen opvangen, zoals ter ziele gegane satellieten, zegt Hawkes. In een recent experiment in een nul-omgeving greep een bot uitgerust met een kleine plakstrip het zonnepaneel van een andere robot van 400 kilogram vast, vertraagde het en trok het voorzichtig een andere richting in.

Dit is de toekomst van bio-geïnspireerd ontwerp, Herfst zegt. It gaat niet alleen over het kopiëren van de natuur, maar begrijpt het diep genoeg om verder te gaan.