Ноги геккона

Ноги гекконов имеют ряд специализаций. Их поверхности могут прилипать к любому типу материала, за исключением тефлона (ПТФЭ). Это явление можно объяснить тремя элементами:

Строение стопы
Структура материала, к которому прилегает стопа
Способность прилипать к поверхности и становиться ее частью.

Фон

Гекконы — представители семейства Gekkonidae . Это рептилии , обитающие в умеренных и тропических регионах. Существует более 1000 различных видов гекконов. ^[1] Они могут быть самых разных цветов. Гекконы всеядны , питаются разнообразной пищей, включая насекомых и червей. ^[2] Большинство видов гекконов, в том числе хохлатый геккон ( Correlophus ciliatus ), ^[3] может лазить по стенам и другим поверхностям.

Структура

Химическая структура

Взаимодействие между ногами геккона и поверхностью для лазания сильнее, чем просто эффекты площади поверхности. На ногах у геккона много микроскопических волосков, или щетинок (единственные щетинки), которые увеличивают силы Ван-дер-Ваальса — зависящее от расстояния притяжение между атомами или молекулами — между его ногами и поверхностью. Эти щетинки представляют собой волокнистые структурные белки , выступающие из эпидермиса , состоящего из β-кератина . ^[5] Подобно тому, как α-кератин является основным строительным блоком человека кожи и ногтей .

Физическая структура

Нижняя поверхность стопы геккона состоит из миллионов волосатых структур, называемых щетинками. Эти щетинки имеют длину 5 мм и тоньше человеческого волоса. На каждой щетинке есть тысячи крошечных структур, называемых лопаточками. Гекконы создают силу Ван-дер-Ваальса, контактируя с поверхностью материалов с помощью шпателей. Больше шпателей означает большую площадь поверхности. Шпатели имеют острые края, которые при приложении нагрузки под определенным углом изгибаются и создают больший контакт с поверхностью, чтобы можно было подняться по ним вертикально. Таким образом, больший контакт с поверхностью создает большую силу Ван-дер-Ваальса, поддерживающую все тело существа. Одна сеточка может удерживать вес до 20 мг с помощью силы Ван-дер-Ваальса. Всего с помощью миллионов щетинок геккон может удерживать около 300 фунтов (140 кг). Щетинки β-кератина имеют около 5 мкм диаметр . Конец каждой щетинки состоит примерно из 1000 лопаточек, имеющих форму равнобедренного треугольника . Лопаточек примерно 200. нм с одной стороны и 10–30 нм с двух других сторон. ^[6] Щетинки расположены параллельно друг другу, но не перпендикулярно пальцам ног. Когда щетинки соприкасаются с другой поверхностью, их нагрузка поддерживается как латеральной, так и вертикальной составляющей. Боковая составляющая нагрузки ограничивается отслаиванием шпателей, а вертикальная составляющая нагрузки ограничивается поперечной силой .

Силы Ван дер Ваальса

Взаимодействие с поверхностью Хамакера

Следующее уравнение можно использовать для количественной характеристики сил Ван-дер-Ваальса путем аппроксимации взаимодействия как взаимодействия между двумя плоскими поверхностями:

F=-{\frac {A_{\text{H}}}{12\pi D^{3}}}

где F — сила взаимодействия, A _H — постоянная Гамакера , а D — расстояние между двумя поверхностями. Щетинки геккона устроены гораздо сложнее, чем плоская поверхность: на каждой ноге имеется примерно 14 000 щетинок, каждая из которых имеет около 1000 лопаточек. Эти поверхностные взаимодействия помогают сгладить шероховатость поверхности стены, что помогает улучшить взаимодействие геккона с поверхностью стены.

Факторы, влияющие на адгезию

влияют многие факторы На адгезию , в том числе:

Шероховатость поверхности
Адсорбированный материал, такой как частицы или влага
Площадь контакта стопы геккона с поверхностью
Градиентные свойства материала (зависимость модуля упругости от глубины). ^[7]

Вывод потенциала взаимодействия

Взаимодействие Ван-дер-Ваальса

Используя комбинированный потенциал диполь-дипольного взаимодействия между молекулами A и B:

W_{\mathrm {AB} }=-{\frac {C_{\mathrm {AB} }}{D^{6}}}

где W _AB — потенциальная энергия между молекулами (в джоулях ), C _AB — комбинированный параметр взаимодействия между молекулами (в Дж·м). ⁶), а D — расстояние между молекулами [в метрах]. Потенциальная энергия одной молекулы на расстоянии D, перпендикулярном плоской поверхности бесконечно простирающегося материала, может быть тогда аппроксимирована как:

W_{\mathrm {A,Plane} }=-\iiint \limits _{\text{all space}}\,{\frac {C_{\mathrm {AB} }\ \rho _{\mathrm {B} }}{(D')^{6}}}dV

где D' — расстояние между молекулой A и бесконечно малым объемом материала B, а ρ _B — молекулярная плотность материала B (в молекулах/м ³). Затем этот интеграл можно записать в цилиндрических координатах, где x — это перпендикулярное расстояние, измеренное от поверхности B до бесконечно малого объема, а r — параллельное расстояние:

{\begin{aligned}W_{\mathrm {A,Plane} }&=-C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {B} }\int _{0}^{\infty }\int _{0}^{\infty }{\frac {2\pi r}{\left((D+x)^{2}+r^{2}\right)^{3}}}\,dr\,dx\\&=-{\frac {\pi C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {B} }}{2}}\int _{0}^{\infty }{\frac {1}{(D+x)^{4}}}\,dx\\&=-{\frac {\pi C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {B} }}{6D^{3}}}\end{aligned}}

Моделирование потенциала шпателя

Взаимодействие геккона со стеной можно проанализировать, аппроксимировав лопаточку геккона длинным цилиндром радиусом r _s . Тогда взаимодействие между одним шпателем и поверхностью будет:

W_{\mathrm {seta,plane} }=-\iiint \limits _{\text{all space}}\,{\frac {\pi C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {B} }\rho _{\mathrm {A} }}{6(D')^{6}}}\,dV

где D' — расстояние между поверхностью B и бесконечно малым объемом материала A, а ρ _A — молекулярная плотность материала A (в молекулах/м2). ³). Используя еще раз цилиндрические координаты, мы можем найти потенциал между лопаточкой геккона и материалом B, который будет равен:

{\begin{aligned}W_{\mathrm {s,p} }&=-{\frac {2\pi ^{2}C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {A} }\rho _{\mathrm {B} }}{6}}\int _{0}^{\infty }\int _{0}^{r_{\mathrm {s} }}\,{\frac {r}{(D+x)^{3}}}\,dr\,dx\\&=-{\frac {\pi ^{2}C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {A} }\rho _{\mathrm {B} }r_{\mathrm {s} }^{2}}{6}}\int _{0}^{\infty }\,{\frac {1}{(D+x)^{3}}}\,dx\\&=-{\frac {\pi ^{2}C_{\mathrm {AB} }\rho _{\mathrm {A} }\rho _{\mathrm {B} }r_{\mathrm {s} }^{2}}{12D^{2}}}\\&=-{\frac {A_{\mathrm {H} }r_{\mathrm {s} }^{2}}{12D^{2}}}\end{aligned}}

где A _H — постоянная Гамакера для материалов A и B.

Затем силу Ван-дер-Ваальса на шпатель F _s можно вычислить путем дифференцирования по D , и мы получим:

F_{\mathrm {s} }=-\left[{\frac {d}{dD}}(W_{\mathrm {s,p} })\right]=-{\frac {A_{\mathrm {H} }r_{\mathrm {s} }^{2}}{6D^{3}}}

Затем мы можем изменить это уравнение, чтобы получить r _s как функцию A _H :

{\begin{aligned}r_{\mathrm {s} }&={\sqrt {\frac {6D^{3}F_{\mathrm {s} }}{A_{\mathrm {H} }}}}\approx {\sqrt {\frac {6(1.7\times 10^{-10}\ \mathrm {m} )^{3}(40\times 10^{-6}\ \mathrm {N} )}{A_{\mathrm {H} }}}}\\&=3.43\times 10^{-17}{\sqrt {\mathrm {N\ m^{3}} }}\times {\frac {1}{\sqrt {A_{\mathrm {H} }}}}\end{aligned}}

где типичное межатомное расстояние 1,7 Å использовалось для контактирующих твердых тел, а F _s 40 мкН использовалось в соответствии с исследованием Отема и др . ^[5]

Экспериментальная проверка

Затем уравнение для r _s можно использовать с рассчитанными константами Гамакера. ^[8] для определения приблизительного радиуса установки. константы Гамакера как в вакууме, так и в монослое Использовались воды. Для тех, у кого был монослой воды, расстояние было увеличено вдвое, чтобы учесть молекулы воды.

Расчетные радиусы щетины
Материалы А/Б	А _Ч (10 ⁻²⁰ Дж)	Расчетное r _s (мкм)
Углеводород/Углеводород (вакуум)	2.6–6.0	0.21–0.14
Углеводород/Углеводород (вода)	0.36–0.44	1.6–1.5
Углеводород/ Кремнезем (вакуум)	4.1–4.4	0.17–0.16
Углеводород/кремнезем (вода)	0.25–0.82	1.9–1.1
Альбумин /кремнезем (вода)	0.7	1.2

Эти значения аналогичны реальному радиусу щетинок на лапке геккона (около 2,5 мкм). ^[5]^[9]

Синтетические клеи

Stickybot, альпинистский робот, использующий синтетические щетинки. ^[10]

Исследования пытаются смоделировать адгезивные свойства геккона. Проекты, в которых изучалась эта тема, включают:

Воспроизведение липких жестких полимеров, изготовленных из микроволокон , которые примерно такого же размера, как щетинки геккона. ^[11]
Воспроизведение свойства самоочищения, которое естественным образом возникает, когда лапы гекконов накапливают частицы с внешней поверхности между щетинками. ^[12]
Массив углеродных нанотрубок перенесен на полимерную ленту. ^[13] В 2015 году были выпущены коммерческие продукты, вдохновленные этой работой. ^[14]

См. также

Адгезия членистоногих

Ссылки

^ Скибински, Брайан. «Все виды» . Geckolist.com . Проверено 3 июня 2011 г.
^ «Что едят хохлатые гекконы? 12 лучших продуктов и справочник по кормлению 2019 года» . 25 декабря 2018 г.
^ «Хохлатые гекконы» . LLLReptile and Supply, Inc., 2006 г. Проверено 3 июня 2011 г.
^ Осень, К. (2006). «Как слипаются пальцы на ногах у гекконов» . Американский учёный . 94 (2): 124–132. дои : 10.1511/2006.58.124 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Осень, К.; Сетти, М.; Лян, Ю.А.; Питти, AM; Хансен, WR; Спонберг, С.; Кенни, ТВ; Боязнь, Р.; Исраэлачвили, Дж. Н.; Фулл, Р.Дж. (2002). «Доказательства Ван-дер-Ваальсовой адгезии в щетинках гекконов» . ПНАС . 99 (19): 12252–12256. Бибкод : 2002PNAS...9912252A . дои : 10.1073/pnas.192252799 . ПМК 129431 . ПМИД 12198184 .
^ Превенслик, Т. (2009). «Электростатический механизм геккона» . Трибология в промышленности . 31 (1 и 2).
^ Попов Валентин Леонидович; Порт, Роман; Ли, Цян (01 сентября 2017 г.). «Прочность клеевых контактов: Влияние геометрии контакта и градиентов материала» . Трение . 5 (3): 308–325. дои : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690 .
^ Батт, Ханс-Юрген; Граф, Карлхайнц; Каппль, Майкл (6 марта 2006 г.). Физика и химия интерфейсов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-3-527-60640-5 .
^ Арцт, Э.; Горб, С.; Споленак, Р. (2003). «От микрок наноконтактам в устройствах биологической фиксации» . ПНАС . 100 (19): 10603–10606. Бибкод : 2003PNAS..10010603A . дои : 10.1073/pnas.1534701100 . ЧВК 196850 . ПМИД 12960386 .
^ «Стикибот» . Лаборатория биомиметики и ловких манипуляций Стэнфордского университета .
^ Маджиди, К.; Грофф, Р.Э.; Маэно, Ю.; Шуберт, Б.; Бэк, С.; Буш, Б.; Мабудиан Р.; Гравиш, Н.; Уилкинсон, М.; Осень, К.; Фиринг, РС (18 августа 2006 г.). «Высокое трение из жесткого полимера с использованием массивов микроволокон». Письма о физических отзывах . 97 (7): 076103. Бибкод : 2006PhRvL..97g6103M . дои : 10.1103/physrevlett.97.076103 . ПМИД 17026251 .
^ Боюсь, Рональд. «Самоочищающаяся синтетическая лента Gecko» . Калифорнийский университет, Беркли.
^ Ге, Лихуи; Сетхи, Санни; Ци, Лицзе; Аджаян, Пуликель М.; Дхиноджвала, Али (19 июня 2007 г.). «Синтетические ленты геккона на основе углеродных нанотрубок» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (26): 10792–10795. Бибкод : 2007PNAS..10410792G . дои : 10.1073/pnas.0703505104 . ПМК 1904109 . ПМИД 17578915 .
^ Лаварс, Ник (22 декабря 2015 г.). «Клейкая лента в стиле гекконов наконец-то вышла на рынок» . www.gizmag.com . Проверено 23 декабря 2015 г.

[1] Скибински, Брайан. «Все виды» . Geckolist.com . Проверено 3 июня 2011 г.

[2] «Что едят хохлатые гекконы? 12 лучших продуктов и справочник по кормлению 2019 года» . 25 декабря 2018 г.

[3] «Хохлатые гекконы» . LLLReptile and Supply, Inc., 2006 г. Проверено 3 июня 2011 г.

[lbu-4] Осень, К. (2006). «Как слипаются пальцы на ногах у гекконов» . Американский учёный . 94 (2): 124–132. дои : 10.1511/2006.58.124 .

[Autumn-5] Jump up to: ^а ^б ^с Осень, К.; Сетти, М.; Лян, Ю.А.; Питти, AM; Хансен, WR; Спонберг, С.; Кенни, ТВ; Боязнь, Р.; Исраэлачвили, Дж. Н.; Фулл, Р.Дж. (2002). «Доказательства Ван-дер-Ваальсовой адгезии в щетинках гекконов» . ПНАС . 99 (19): 12252–12256. Бибкод : 2002PNAS...9912252A . дои : 10.1073/pnas.192252799 . ПМК 129431 . ПМИД 12198184 .

[6] Превенслик, Т. (2009). «Электростатический механизм геккона» . Трибология в промышленности . 31 (1 и 2).

[7] Попов Валентин Леонидович; Порт, Роман; Ли, Цян (01 сентября 2017 г.). «Прочность клеевых контактов: Влияние геометрии контакта и градиентов материала» . Трение . 5 (3): 308–325. дои : 10.1007/s40544-017-0177-3 . ISSN 2223-7690 .

[ButtGrraf2006-8] Батт, Ханс-Юрген; Граф, Карлхайнц; Каппль, Майкл (6 марта 2006 г.). Физика и химия интерфейсов . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-3-527-60640-5 .

[9] Арцт, Э.; Горб, С.; Споленак, Р. (2003). «От микрок наноконтактам в устройствах биологической фиксации» . ПНАС . 100 (19): 10603–10606. Бибкод : 2003PNAS..10010603A . дои : 10.1073/pnas.1534701100 . ЧВК 196850 . ПМИД 12960386 .

[10] «Стикибот» . Лаборатория биомиметики и ловких манипуляций Стэнфордского университета .

[11] Маджиди, К.; Грофф, Р.Э.; Маэно, Ю.; Шуберт, Б.; Бэк, С.; Буш, Б.; Мабудиан Р.; Гравиш, Н.; Уилкинсон, М.; Осень, К.; Фиринг, РС (18 августа 2006 г.). «Высокое трение из жесткого полимера с использованием массивов микроволокон». Письма о физических отзывах . 97 (7): 076103. Бибкод : 2006PhRvL..97g6103M . дои : 10.1103/physrevlett.97.076103 . ПМИД 17026251 .

[12] Боюсь, Рональд. «Самоочищающаяся синтетическая лента Gecko» . Калифорнийский университет, Беркли.

[13] Ге, Лихуи; Сетхи, Санни; Ци, Лицзе; Аджаян, Пуликель М.; Дхиноджвала, Али (19 июня 2007 г.). «Синтетические ленты геккона на основе углеродных нанотрубок» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (26): 10792–10795. Бибкод : 2007PNAS..10410792G . дои : 10.1073/pnas.0703505104 . ПМК 1904109 . ПМИД 17578915 .

[14] Лаварс, Ник (22 декабря 2015 г.). «Клейкая лента в стиле гекконов наконец-то вышла на рынок» . www.gizmag.com . Проверено 23 декабря 2015 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]