Синтетические щетинки

Stickybot, альпинистский робот, использующий синтетические щетинки.

Синтетические щетинки имитируют щетинки на пальцах ног геккона , и научные исследования в этой области направлены на разработку сухих клеев . Гекконы без труда осваивают вертикальные стены и, очевидно, способны прикрепляться практически к любой поверхности. Пятипалые лапы геккона покрыты эластичными волосками, называемыми щетинками, а концы этих волос разделены на наноразмерные структуры, называемые лопаточками (из-за их сходства с настоящими лопаточками ). достаточно Из-за большого количества и близости к поверхности этих шпателей одних сил Ван-дер-Ваальса для обеспечения необходимой прочности сцепления . После открытия в 2002 году у гекконов механизма адгезии, основанного на силах Ван-дер-Ваальса, биомиметические клеи стали темой крупных исследований. Эти разработки позволят создать семейство новых клеевых материалов с превосходными свойствами, которые, вероятно, найдут применение в самых разных отраслях: от обороны и нанотехнологий до здравоохранения и спорта.

Основные принципы

Основная статья: Ноги геккона

Близкий вид на ногу геккона

Гекконы известны своей исключительной способностью прилипать и бегать по любой вертикальной и перевернутой поверхности (за исключением тефлоновой ). Однако пальцы гекконов не липкие, как обычно, как химический клей. Вместо этого они могут быстро отделяться от поверхности и оставаться достаточно чистыми от повседневных загрязнений даже без ухода.

Исключительная адгезия

Две передние лапы токайского геккона выдерживают силу 20,1 Н, параллельную поверхности с расстоянием 227 мм. ² площади площадки, сила, в 40 раз превышающая вес геккона. Ученые исследуют секрет этой необычайной адгезии еще с 19 века, и за последние 175 лет обсуждалось по крайней мере семь возможных механизмов адгезии гекконов. Были гипотезы клея, трения, всасывания, электростатики , микрозацепления и межмолекулярных сил . Липкие выделения были исключены на ранних этапах изучения адгезии гекконов, поскольку у гекконов на пальцах ног отсутствует железистая ткань. Гипотеза трения также была быстро отвергнута, поскольку сила трения действует только при сдвиге, что не может объяснить способность гекконов прилипать к перевернутым поверхностям. Гипотеза о том, что подушечки пальцев ног действуют как присоски, была развеяна в 1934 году экспериментами, проведенными в вакууме, в котором пальцы ног гекконов оставались застрявшими. Точно так же электростатическая гипотеза была опровергнута экспериментом, показавшим, что гекконы могли прилипать даже тогда, когда накопление электростатического заряда было невозможно (например, на металлической поверхности в воздухе, ионизированном потоком рентгеновских лучей). Механизм микроблокировки, предполагавший, что изогнутые кончики щетинки могли действовать как микромасштабные крючки, также был поставлен под сомнение тот факт, что гекконы создают большие силы сцепления даже на молекулярно гладких поверхностях.

Микро- и наноизображение пальца ноги геккона

В конце концов возможности сузились до межмолекулярных сил, а развитие электронной микроскопии в 1950-х годах, которая выявила микроструктуру щетинок на лапке геккона, предоставило дополнительные доказательства в поддержку этой гипотезы. Проблема была окончательно решена в 2000 году исследовательской группой под руководством биологов Келлара Отема из колледжа Льюиса и Кларка в Портленде, штат Орегон, и Роберта Фулла из Калифорнийского университета в Беркли. Они показали, что нижняя сторона пальца ноги геккона обычно имеет ряд гребней, которые покрыты равномерными рядами щетинок, и каждая щетинка делится на сотни секущихся концов и плоских кончиков, называемых лопаточками (см. рисунок справа). Одна щетка токайского геккона имеет длину примерно 110 микрометров и ширину 4,2 микрометра. Каждая из ветвей щетинки заканчивается тонкой треугольной лопаточкой, соединенной на вершине. Конец имеет длину около 0,2 микрометра и ширину 0,2 микрометра. Адгезия между лапкой геккона и поверхностями является в точности результатом действия силы Ван-дер-Ваальса между каждой щетинкой и поверхностными молекулами. Одна сета может генерировать силу до 200 мкН. На стопе токайского геккона имеется около 14 400 щетинок на квадратный миллиметр, что составляет около 3 268 800 щетинок на двух передних лапах токайского геккона. Из уравнения межмолекулярного потенциала:

$\Phi (R,D)=-{\frac {\rho _{1}\rho _{2}\pi ^{2}\alpha R}{6D}}$

где $\rho _{1}$ и $\rho _{2}$ — количество контактов двух поверхностей, R — радиус каждого контакта, а D — расстояние между двумя поверхностями.

Мы обнаружили, что межмолекулярная сила или в данном случае сила Ван-дер-Ваальса между двумя поверхностями в значительной степени зависит от количества контактов. Именно по этой причине ноги геккона могут создавать необычайную силу сцепления с различными типами поверхностей. Совокупный эффект миллионов шпателей обеспечивает силу сцепления, во много раз превышающую силу, необходимую геккону, чтобы свисать с потолка на один фут.

Процедура прикрепления и отсоединения лапки геккона

Механизм подъема

Удивительно большие силы, создаваемые пальцами ног геккона поставил вопрос о том, как гекконам удается так быстро – всего за 15 миллисекунд – поднимать ноги без измеримой силы отрыва. Келлар Отэм и его исследовательская группа обнаружили «механизм отрыва» ног геккона. Их открытие показало, что клей гекконов на самом деле работает «программируемым» образом: увеличивая угол между стержнем щетки и подложкой до 30 градусов, независимо от того, насколько велика перпендикулярная сила адгезии, гекконы «отключают» липкость, поскольку увеличение напряжение на заднем крае щетинки приводит к разрыву связей между щетинкой и субстратом. Затем сета возвращается в выгруженное состояние по умолчанию. С другой стороны, прикладывая предварительную нагрузку и перетаскивая по поверхности, гекконы включают модуляцию липкости. Этот механизм «Подъёма» можно показать на рисунке справа.

Способность самоочистки

В отличие от обычных клеев, клей Gecko становится чище при многократном использовании и, таким образом, остается достаточно чистым от повседневных загрязнений, таких как песок, пыль, опавшие листья и пыльца. Кроме того, в отличие от некоторых растений и насекомых, которые обладают способностью самоочищаться с помощью капель, гекконы, как известно, не ухаживают за своими ногами, чтобы сохранить их клейкие свойства – все, что им нужно, это всего лишь несколько шагов, чтобы восстановить способность цепляться за вертикальные поверхности.

Модель, объясняющая способность к самоочистке

Келлар Отем и его исследовательская группа провели эксперименты, чтобы проверить и продемонстрировать эту способность геккона. Они также используют контактно-механическую модель, чтобы предположить, что самоочищение происходит за счет энергетического неравновесия между силами сцепления, притягивающими частицу грязи к подложке, и силами, притягивающими ту же частицу к одному или нескольким шпателям. Другими словами, энергия взаимодействия Ван-дер-Ваальса для системы частица-стенка требует достаточно большого количества систем частица-лопатка для уравновешивания; однако относительно небольшое количество шпателей действительно может прикрепиться к одной частице, поэтому из-за этого неравновесия частицы загрязнения имеют тенденцию прикрепляться к поверхности субстрата, а не к пальцу геккона. На рисунке справа показана модель взаимодействия N шпателей, частицы грязи и плоской стены.

Важно знать, что это свойство самоочищения, по-видимому, присуще наноструктуре щетинки и, следовательно, должно быть воспроизведено в синтетических адгезивных материалах. Фактически, группа Келлара Отема наблюдала, как самоочищение массивов щетинок все еще происходило, когда они были изолированы от использованных гекконов.

Развитие и подходы

Количество статей, опубликованных по теме «клей геккон» в 2002–2007 гг.

Открытия о ногах гекконов привели к идее, что эти структуры и механизмы могут быть использованы в новом семействе клеев, и исследовательские группы со всего мира сейчас исследуют эту концепцию. А благодаря развитию нанонауки и технологий люди теперь могут создавать биомиметический клей, вдохновленный щетинками гекконов, используя наноструктуры . Действительно, интерес и новые открытия в области клеев типа геккона стремительно растут, о чем свидетельствует растущее число статей, публикуемых по этой теме. однако синтетические щетинки все еще находятся на очень ранней стадии.

Эффектный дизайн

Эффективная разработка геккоподобных клеев потребует глубокого понимания принципов, лежащих в основе свойств, наблюдаемых в природных системах. Эти свойства, принципы и соответствующие параметры клеевой системы Gecko показаны в следующей таблице. Эта таблица также дает нам представление о том, как ученые переводят эти хорошие свойства щетинок гекконов (как показано в первом столбце) в параметры, которые они могут фактически контролировать и проектировать (как показано в третьем столбце).

Характеристики	Принципы	параметры
1. Анизотропная привязанность 2. Высокая μ' (срыв/предварительная нагрузка)	Консольная балка	Длина вала, радиус, плотность, угол вала
3. Низкая сила отрыва.	Низкая эффективная жесткость	Модуль вала, лопаточная форма
4. Материальная независимость.	Механизм Ван дер Ваальса JKR-подобный * контактная механика Наноматрица (разделенный контакт)	Размер шпателя, форма шпателя, плотность шпателя
5. Способность самоочистки.	Наноматрица (разделенный контакт)	Модуль объемного сжатия шпателя
6. Анти-самоклейка	Маленькая площадь контакта	Размер частиц, форма, поверхностная энергия
7. Нелипкое состояние по умолчанию	Нелипкие шпатели, гидрофобные, сила Ван-дер-Ваальса.	Размер, форма, поверхностная энергия шпателя

*JKR относится к модели адгезии Джонсона, Кендалла, Робертса.

Таким образом, ключевые параметры конструкции синтетического клея геккон включают в себя:

• Рисунок и периодичность синтетических щетинок
• Иерархическая структура
• Длина, диаметр, угол и жесткость валов
• Размер, форма и жесткость шпателей (конец сатаэ)
• Гибкость основания

Существует постоянно растущий список контрольных свойств, которые можно использовать для оценки эффективности синтетических щетинок, а также коэффициента адгезии, который определяется как:

$\mu ^{'}=F_{\text{adhesion}}/F_{\text{preload}}$

где $F_{\text{preload}}$ - приложенная сила предварительной нагрузки, и $F_{\text{adhesion}}$ – создаваемая сила сцепления.Коэффициент адгезии настоящих щетинок геккона обычно составляет 8–16.

Материалы

В первых разработках синтетических щетинок часто используются такие полимеры , как полиимид , полипропилен и полидиметилсилоксан (ПДМС), поскольку они гибкие и легко изготавливаются. Позже, по мере быстрого развития нанотехнологий, углеродным нанотрубкам большинство исследовательских групп отдают предпочтение (УНТ) и используют их в самых последних проектах. УНТ имеют гораздо большее возможное соотношение длины к диаметру, чем полимеры, и они демонстрируют исключительную прочность и гибкость, а также хорошие электрические свойства. Именно эти новые свойства делают синтетические щетинки более эффективными.

Технологии изготовления

ряд методов изготовления MEMS / NEMS Для изготовления синтетических щетинок применяется , включая фотолитографию / электронно-лучевую литографию , плазменное травление , глубокое реактивное ионное травление (DRIE), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), микроформование и т. д.

Примеры

В этом разделе будет приведено несколько типичных примеров, показывающих конструкцию и процесс изготовления синтетических щетинок. Из этих примеров мы также можем получить представление о развитии этой биомиметической технологии за последние несколько лет.

Гекконовая лента

Основная статья: Нанолента

Микровид ленты геккона

« Тест Человека-Паука » из ленты геккона

Этот пример — одна из первых разработок синтетических щетинок, возникшая в результате сотрудничества Манчестерского центра мезонауки и нанотехнологий и Института технологий микроэлектроники в России. Работа началась в 2001 году, а два года спустя результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

Группа подготовила гибкие волокна из полиимида в виде синтетических структур щетинок на поверхности пленки 5 мкм того же материала толщиной с помощью электронно-лучевой литографии и сухого травления в кислородной плазме . Волокна имели длину 2 мкм, диаметр около 500 нм и периодичность 1,6 мкм и занимали площадь около 1 см. ² (см. рисунок слева). Первоначально команда использовала кремниевую пластину в качестве подложки, но обнаружила, что адгезионная способность ленты увеличивается почти в 1000 раз, если они используют мягкую связующую подложку, такую ​​​​как скотч. Это связано с тем, что гибкая подложка дает гораздо более высокое соотношение количества щетинки, контактирующие с поверхностью, превышают общее число щетинок.

Результат этой «ленты геккона» был проверен путем прикрепления образца к руке пластиковой фигурки Человека-паука высотой 15 см и весом 40 г, что позволило ей приклеиться к стеклянному потолку, как показано на рисунке. Лента, имевшая площадь контакта около 0,5 см. ² со стеклом, был способен нести груз весом более 100 г. Однако коэффициент адгезии составил всего 0,06, что мало по сравнению с настоящими гекконами (8~16).

Синтетический волос на лапах геккона.

Микроизображение «полипропиленовых синтетических волос на ногах геккона»

По мере развития нанонауки и нанотехнологий все больше проектов включают применение нанотехнологий, в частности, использование углеродных нанотрубок (УНТ). В 2005 году исследователи из Университета Акрона и Политехнического института Ренсселера в США создали синтетические структуры щетинок путем нанесения многостенных УНТ методом химического осаждения из паровой фазы на кварцевые и кремниевые подложки.

Нанотрубки обычно имели диаметр 10–20 нм и длину около 65 мкм. Затем группа инкапсулировала вертикально ориентированные нанотрубки в полимер ПММА, а затем обнажила верхние 25 мкм трубок путем вытравливания части полимера. Нанотрубки имели тенденцию образовывать запутанные пучки диаметром около 50 нм из-за процесса сушки растворителем, используемого после травления. (Как показано на рисунке справа).

Результаты были проверены с помощью сканирующего зондового микроскопа и показали, что минимальная сила на единицу площади составляет 1,6±0,5×10. ⁻² нН/нм ² , что намного больше, чем цифра, которую команда оценила для типичной силы сцепления щетинок геккона, которая составляла 10 ⁻⁴ нН/нм ² . Более поздние эксперименты с теми же структурами на скотче выяснилось, что этот материал может выдерживать напряжение сдвига 36 Н/см. ² , почти в четыре раза выше стопы геккона. Впервые синтетические щетинки продемонстрировали лучшие свойства, чем свойства натуральной лапы геккона. Более того, этот новый материал может прилипать к более широкому спектру материалов, включая стекло и тефлон.

Однако у этого нового материала есть некоторые проблемы. При натяжении параллельно поверхности лента отрывается не потому, что УНТ теряют сцепление с поверхностью, а потому, что они рвутся, и в этом случае ленту нельзя использовать повторно. Причем, в отличие от щетинок геккона, этот материал работает только на небольшой площади (около 1 см). ² ). В настоящее время исследователи работают над рядом способов укрепить нанотрубки, а также стремятся сделать ленту многоразовой, а не десятки раз, которые сейчас можно использовать.

Геккель

Микровид геккеля

Хотя большинство разработок касаются сухой адгезии, группа исследователей изучала, как производные встречающихся в природе клеевых соединений моллюсков могут быть объединены со структурами типа гекконов для получения клеев, которые работают как в сухих, так и во влажных условиях .

Полученный клей, получивший название «гекель», представлял собой набор силиконовых столбиков, имитирующих геккона, шириной 400 нм, изготовленных методом электронно-лучевой литографии и покрытых полимером, имитирующим мидии, синтетической формой аминокислоты , которая встречается в природе. естественно в мидиях (слева). .

В отличие от настоящего клея гекконов, адгезионные свойства материала зависят от сил Ван-дер-Ваальса и от химического взаимодействия поверхности с гидроксильными группами в белке мидий. Материал улучшает адгезию во влажном состоянии в 15 раз по сравнению с массивами колонн без покрытия. Так называемая лента «гекель» выдерживает 1000 циклов контакта и отсоединения, прочно прилипая как к влажной, так и к сухой среде.

На данный момент материал был протестирован на нитриде кремния , оксиде титана и золоте, которые используются в электронной промышленности. Однако для того, чтобы его можно было использовать в повязках и медицинских лентах, что является ключевым потенциальным применением, он должен иметь возможность прилипать к коже человека. Исследователи протестировали другие синтетические белки, полученные из мидий, которые имеют схожие химические группы, и обнаружили, что они прикрепляются к живым тканям.

Geckel — это клей , который можно приклеивать как к влажным, так и к сухим поверхностям. Его прочность «обуславливается покрытием волокнистого силикона, по структуре напоминающего лапку геккона, полимером, имитирующим «клей», используемый мидиями».

Команда черпала вдохновение у гекконов , которые могут выдерживать вес, в сотни раз превышающий их собственный. гекконов используются миллиарды волосоподобных структур, известных как щетинки Для прикрепления . Исследователи объединили эту способность с прилипанием мидий. Испытания показали, что «материал может прилипать и отклеиваться более 1000 раз, даже при использовании под водой», сохраняя 85 процентов своей адгезионной прочности.

Филип Мессерсмит, ведущий исследователь команды, разработавшей продукт, считает, что клей может найти множество медицинских применений, например, ленты, которые могут заменить швы для закрытия ран, а также водостойкий клей для повязок и пластырей для доставки лекарств.

Коммерческое производство

Для коммерческого производства этих клеев потребуются автоматизированные технологии крупносерийного производства, которые исследуются несколькими исследовательскими группами. Группа под руководством Метина Ситти из Университета Карнеги-Меллон изучала ряд различных методов, включая глубокое реактивное ионное травление (DRIE), которое успешно используется для изготовления массивов полимерных волокон грибовидной формы, процессы микроформования, прямую самосборку и фотолитографию.

В 2006 году исследователи из Центра передовых технологий BAE Systems в Бристоле, Великобритания, объявили, что им удалось с помощью фотолитографии создать образцы «синтетического геккона» — массивы грибовидных волосков из полиимида — с диаметром до 100 мкм. Было показано, что они прилипают практически к любой поверхности, в том числе к покрытой грязью, и было измерено отрывное усилие 3000 кг/м^2. Совсем недавно компания использовала ту же технику для создания узорчатых силиконовых форм для производства материала и заменила полиимид полидиметилсилоксаном (ПДМС). Этот новейший материал продемонстрировал прочность 220 кПа. Преимущество фотолитографии состоит в том, что она широко используется, хорошо понимается и легко и дешево масштабируется до очень больших площадей, чего нельзя сказать о некоторых других методах, используемых для изготовления материалов-прототипов.

В 2019 году исследователи из Akron Ascent Innovations, LLC , компании, выделенной из технологического университета Акрона , объявили о коммерческой доступности ShearGrip . сухих клеев марки Вместо того, чтобы полагаться на фотолитографию или другие стратегии микропроизводства, исследователи применили электропрядение для производства волокон малого диаметра на основе принципа контактного расщепления, используемого гекконами. Сообщается, что продукт имеет прочность на сдвиг более 80 фунтов на квадратный дюйм, обеспечивает чистое удаление и возможность повторного использования на многих поверхностях, а также способность ламинировать материал с различными лицевыми заготовками в односторонних или двусторонних конструкциях. Утверждается, что этот подход более масштабируем, чем другие стратегии производства синтетических щетинок, и использовался для производства продуктов для потребительских рынков под торговой маркой Pinless .

Приложения

Существует широкий спектр применений синтетических щетинок, также известных как «лента геккона», от нанотехнологий и военного использования до здравоохранения и спорта.

Нано лента

Нано лента

Основная статья: Нанолента

« Нанолента » (также называемая «лентой геккона») часто продается в виде двусторонней клейкой ленты . Его можно использовать для подвешивания легких предметов, таких как картины и декоративные предметы, на гладкие стены, не пробивая в стене дыр. Массив углеродных нанотрубок не оставляет следов после удаления и может оставаться липким при экстремальных температурах.

Робототехника

Пока не существует машины, которая могла бы маневрировать в «сканирующем» режиме, то есть ловко действовать в условиях вертикальной местности без потери компетентности при работе на ровной местности. Перед развитием сканирующей робототехники стоят две основные исследовательские задачи: во-первых, они стремятся понять, охарактеризовать и реализовать динамику лазания (силы реакции стенок, траектории конечностей, взаимодействие с поверхностью и т. д.); и, во-вторых, они должны разработать, изготовить и внедрить технологии клейких накладок, которые обеспечивают соответствующие свойства адгезии и трения для облегчения необходимого взаимодействия с поверхностями.

Поскольку прогресс в области робототехники на ногах продолжается , исследования начали фокусироваться на разработке выносливых альпинистов. Были разработаны различные роботы, которые взбираются по плоским вертикальным поверхностям, используя присоски, магниты и наборы маленьких шипов, чтобы прикрепить ноги к поверхности.

Платформа RiSE

Платформа RiSE была разработана в Лаборатории биомиметики и ловких манипуляций Стэнфордского университета. Он имеет двенадцать степеней свободы (DOF) с шестью одинаковыми механизмами двух степеней свободы, равномерно расположенными попарно по длине корпуса. Два привода на каждом бедре приводят в движение четырехстержневой механизм, который преобразуется в движение стопы по заданной траектории и позиционирует плоскость четырехстержневого механизма под углом относительно платформы. Чтобы робот RiSE преуспел в лазании как в естественной, так и в искусственной среде, оказалось необходимым использовать несколько механизмов сцепления. Робот RiSE этого не делает, но будет использовать сухую адгезию в сочетании с шипами.

Совсем недавно были разработаны роботы, которые используют синтетические клейкие материалы для лазания по гладким поверхностям, таким как стекло.

Эти гусеничные и альпинистские роботы могут использоваться в военных целях для проверки поверхностей самолетов на наличие дефектов и начинают заменять методы ручного контроля. Сегодняшние гусеничные машины используют вакуумные насосы и мощные присоски, которые можно заменить этим материалом.

Стикибот

Исследователи из Стэнфордского университета также создали робота под названием Stickybot, который использует синтетические щетинки для масштабирования даже очень гладких вертикальных поверхностей, как это сделал бы геккон.

Stickybot — это воплощение гипотезы о требованиях к мобильности на вертикальных поверхностях с использованием сухой адгезии. Суть в том, что нам нужна контролируемая адгезия. Обязательными ингредиентами являются:

• иерархическое соответствие для соответствия в масштабах сантиметра, миллиметра и микрометра,
• анизотропные сухие клеевые материалы и конструкции, позволяющие контролировать адгезию путем контроля сдвига,
• распределенное активное управление силой, которое работает с податливостью и анизотропией для достижения стабильности.

Геккобот

Другой аналогичный пример — «Геккобот», разработанный в Университете Карнеги-Меллона. который поднялся под углами до 60°.

Замена сустава

Клеи на основе синтетических щетинок были предложены в качестве средства захвата, перемещения и выравнивания деликатных деталей, таких как сверхминиатюрные схемы, нановолокна и наночастицы, микросенсоры и микромоторы. В макромасштабе их можно наносить непосредственно на поверхность продукта и заменять соединения на основе винтов, заклепок, обычных клеев и соединительных язычков в промышленных товарах. Таким образом, процессы сборки и разборки будут упрощены. Также было бы полезно заменить обычный клей синтетическим клеем Gecko в условиях вакуума (например, в космосе), поскольку жидкий ингредиент обычного клея легко испаряется и приводит к разрушению соединения.

Внешние ссылки

• профессора Келлара Отэма Осенняя лаборатория в колледже Льюиса и Кларка
• Веб-сайт проекта RiSE