Синтетические щетинки - Synthetic setae

Stickybot, скалолазный 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 справляются с вертикальными стенами и, по-видимому, способны прилипать практически к любой поверхности. Пятипалые лапы геккона покрыты эластичными волосками, называемыми щетинками, а концы этих волосков разделены на наноразмерные структуры, называемые шпателями (из-за их сходства с настоящими шпателями ). Огромное количество и близость к поверхности этих шпателей делают достаточно сил Ван-дер-Ваальса для обеспечения требуемой прочности сцепления . После открытия в 2002 году механизма адгезии геккона, основанного на силах Ван-дер-Ваальса, биомиметические клеи стали предметом крупных исследований. Эти разработки позволят создать новые семейства клеящих материалов с превосходными свойствами, которые, вероятно, найдут применение в различных отраслях промышленности, от обороны и нанотехнологий до здравоохранения и спорта.

Основные принципы

Крупным планом вид стопы геккона

Гекконы известны своей исключительной способностью держаться и бегать по любой вертикальной и перевернутой поверхности (кроме тефлона ). Однако пальцы геккона не липкие обычным образом, как химические клеи. Вместо этого они могут быстро отделяться от поверхности и оставаться довольно чистыми от повседневных загрязнений даже без ухода.

Чрезвычайная адгезия

Два передних ног геккон токи могут выдерживать 20,1 N от силы параллельно поверхности с 227 мм ² площади площадки, в силу столько , сколько в 40 раз вес геккона. Ученые исследовали секрет этой необычной адгезии еще с 19 века, и за последние 175 лет обсуждались по крайней мере семь возможных механизмов адгезии гекконов. Были гипотезы клея, трения, всасывания, электростатики , микроблокировки и межмолекулярных сил . Липкие выделения были исключены в начале исследования адгезии гекконов, поскольку у гекконов отсутствует железистая ткань на пальцах ног. Гипотеза трения также была быстро отвергнута, потому что сила трения действует только при сдвиге, что не может объяснить адгезионные свойства гекконов на перевернутых поверхностях. Гипотеза о том, что подушечки пальцев ног действуют как присоски, была развеяна в 1934 году экспериментами, проведенными в вакууме, в котором пальцы геккона оставались застрявшими. Точно так же электростатическая гипотеза была опровергнута экспериментом, показавшим, что гекконы все еще могли прилипать, даже когда накопление электростатического заряда было невозможно (например, на металлической поверхности в воздухе, ионизированном потоком рентгеновских лучей). Механизм микровзаимосвязи, который предполагал, что изогнутые концы щетинок могут действовать как микромасштабные крючки, также подвергся сомнению из-за того, что гекконы генерируют большие силы сцепления даже на молекулярно гладких поверхностях.

Микро- и нано-вид пальца геккона

Возможности, наконец, сузились до межмолекулярных сил, и развитие электронной микроскопии в 1950-х годах, которая показала микроструктуру щетинок на ноге геккона, предоставило дополнительное доказательство в поддержку этой гипотезы. Проблема была окончательно решена в 2000 году исследовательской группой во главе с биологами Келларом Отемом из колледжа Льюиса и Кларка в Портленде, штат Орегон, и Робертом Фуллом из Калифорнийского университета в Беркли. Они показали, что нижняя сторона пальца геккона обычно несет серию гребней, которые покрыты однородными рядами щетинок, и каждая щетинка далее делится на сотни расщепленных концов и плоских кончиков, называемых шпателями (см. Рисунок справа). Одна щетинка токайского геккона составляет примерно 110 микрометров в длину и 4,2 микрометра в ширину. Каждая ветвь щетинки заканчивается тонкой треугольной лопаткой, соединенной на ее вершине. Конец составляет около 0,2 микрометра в длину и 0,2 микрометра в ширину. Адгезия между ногой геккона и поверхностями является в точности результатом силы Ван-дер-Ваальса между каждой щетинкой и поверхностными молекулами. Одна щетинка может генерировать до 200 мкН силы. На ноге токайского геккона около 14 400 щетинок на квадратный миллиметр, что приводит к общему количеству около 3268 800 щетинок на двух передних лапах токайского геккона. Из уравнения для межмолекулярного потенциала:

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

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

Мы обнаружили, что межмолекулярная сила или сила Ван-дер-Ваальса в этом случае между двумя поверхностями в значительной степени определяется количеством контактов. Именно по этой причине лапы геккона могут создавать необычайную силу сцепления с различными типами поверхностей. Комбинированный эффект миллионов лопаток обеспечивает силу сцепления, во много раз большую, чем требуется геккону, чтобы свисать с потолка на одну ногу.

Процедура прикрепления и отсоединения стопы геккона

Механизм подъема

Удивительно большие силы, создаваемые пальцами ног геккона, подняли вопрос о том, как гекконам удается поднимать ноги так быстро - всего за 15 миллисекунд - без измеримых сил отрыва. Келлар Отем и его исследовательская группа обнаружили «отрывной механизм» ног геккона. Их открытие показало, что клей для гекконов на самом деле работает «программируемым» способом: увеличивая угол между стержнем щетинки и субстратом до 30 градусов, независимо от того, насколько велика перпендикулярная сила сцепления, гекконы «отключают» липкость, так как увеличивающаяся напряжение на заднем крае щетинки вызывает разрыв связей между щетинкой и субстратом. Затем сетка возвращается в ненагруженное состояние по умолчанию. С другой стороны, применяя предварительную нагрузку и перетаскивая по поверхности, гекконы включают модуляцию липкости. Этот механизм «отрыва» показан на рисунке справа.

Самоочищающаяся способность

В отличие от обычных клеев, клей для гекконов становится чище при многократном использовании и, таким образом, остается довольно 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 каплями, гекконы, как известно, не ухаживают за ногами, чтобы сохранить свои адгезионные свойства - все, что им нужно, - это всего несколько шагов, чтобы восстановить способность цепляться за них. 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 адгезионными силами, 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-шпатель для уравновешивания; однако относительно небольшое количество шпателей может фактически прикрепиться к одной частице, поэтому частицы загрязнения имеют тенденцию прикрепляться к поверхности субстрата, а не к пальцу геккона из-за этого неравновесия. На рисунке справа показана модель взаимодействия между N шпателями, частицей грязи и плоской стенкой.

Важно знать, что это свойство самоочищения является присущим сетальной наноструктуре и, следовательно, должно воспроизводиться в синтетических адгезивных материалах. Фактически, группа Келлара Отем наблюдала, как самоочищение все еще происходит в множестве щетинок, когда они изолированы от используемых гекконов.

Развитие и подходы

Количество статей, опубликованных на тему "Gecko Adventure", 2002 ~ 2007 гг.

Открытие лап геккона привело 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 геккона, с использованием наноструктур . Действительно, интерес и новые открытия к клеям гекконового типа стремительно растут, о чем свидетельствует растущее количество статей, публикуемых по этой теме. однако синтетические щетинки все еще находятся на очень ранней стадии.

Эффектный дизайн

Эффективный дизайн клеев гекколи потребует глубокого понимания принципов, лежащих в основе свойств, наблюдаемых в естественной системе. Эти свойства, принципы и соответствующие параметры адгезивной системы gecko показаны в следующей таблице. Эта таблица также дает нам представление о том, как ученые переводят эти хорошие свойства щетинок геккона (как показано в первом столбце) в параметры, которые они могут фактически контролировать и создавать (как показано в третьем столбце).

Характеристики	Принципы	параметры
1. Анизотропная насадка 2. Высокая µ '(отрыв / предварительная нагрузка)	Консольная балка	Длина вала, радиус, плотность, угол вала
3. Низкое усилие отрыва.	Низкая эффективная жесткость	Модуль упругости вала, форма лопатки
4. Прилипчивость к материальной независимости	Механизм Ван-дер-Ваальса JKR-подобная ^* контактная механика Nanoarray (разделенный контакт)	Размер лопатки, форма лопатки, плотность лопатки
5. Самоочищающаяся способность	Nanoarray (разделенный контакт)	Модуль объемной упругости шпателя
6. Антиприлипание	Малая площадь контакта	Размер, форма, поверхностная энергия частиц
7. Не липкое состояние по умолчанию.	Нелипкий шпатель, гидрофобный, сила Ван-дер-Ваальса	Размер лопатки, форма, поверхностная энергия

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

Таким образом, ключевые параметры при разработке синтетического клея для гекконов включают:

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

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

${\ displaystyle \ mu ^ {'} = F _ {\ text {adhesion}} / F _ {\ text {preload}}}$

где - приложенная сила предварительного натяга, - создаваемая сила сцепления. Коэффициент сцепления настоящих щетинок геккона обычно составляет 8 ~ 16. ${\ displaystyle F _ {\ text {preload}}}$ ${\ displaystyle F _ {\ text {adhesion}}}$

Материалы

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

Технологии изготовления

Для изготовления синтетических щетинок применяется ряд технологий изготовления МЭМС / НЭМС , в том числе фотолитография / электронно-лучевая литография , плазменное травление , глубокое реактивное ионное травление (DRIE), химическое осаждение из паровой фазы (CVD), микролитье и т. Д.

Примеры

В этом разделе будет дано несколько типичных примеров, чтобы показать дизайн и процесс изготовления синтетических щетинок. Мы также можем получить представление о развитии этой биомиметической технологии за последние несколько лет из этих примеров.

Лента Gecko

Микро вид ленты геккона

" Человек-паук " из ленты gecko.

Этот пример - одна из первых разработок синтетических щетинок, которая возникла в результате сотрудничества между Манчестерским центром мезонауки и нанотехнологий и Институтом технологий микроэлектроники в России. Работа началась в 2001 году, а через 2 года результаты были опубликованы в Nature Materials.

Группа подготовила гибкие полиимидные волокна в виде синтетических щетинок на поверхности пленки из того же материала толщиной 5 мкм с использованием электронно-лучевой литографии и сухого травления в кислородной плазме . Волокна имели длину 2 мкм, диаметр около 500 нм и периодичность 1,6 мкм и покрывали площадь примерно 1 см ² (см. Рисунок слева). Первоначально команда использовала силиконовую пластину в качестве подложки, но обнаружила, что адгезионная способность ленты увеличилась почти в 1000 раз, если они использовали мягкую склеивающую подложку, такую как скотч. Это связано с тем, что гибкая подложка дает гораздо более высокое соотношение количества щетинки контактируют с поверхностью по общему количеству щетинок.

Результат этой "ленты геккона" был протестирован путем прикрепления образца к руке пластмассовой фигурки Человека-паука высотой 15 см и весом 40 г, что позволило прикрепить ее к стеклянному потолку, как показано на рисунке. Лента, площадь контакта которой со стеклом составляла около 0,5 см ² , могла выдерживать нагрузку более 100 г. Однако коэффициент сцепления составил всего 0,06, что мало по сравнению с настоящими гекконами (8 ~ 16).

Синтетические волосы на ногах геккона

Микровид "Волосы для ног геккона из синтетического полипропилена"

По мере развития нанонауки и нанотехнологий все больше проектов связаны с применением нанотехнологий, особенно с использованием углеродных нанотрубок (УНТ). В 2005 году исследователи из Университета Акрона и Политехнического института Ренсселера в США создали синтетические сетчатые структуры путем нанесения многослойных 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 заключила вертикально выровненные нанотрубки в полимер ПММА перед тем, как обнажить верхние 25 мкм трубок путем травления 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 протестированы с помощью сканирующего зондового микроскопа , и он показал, что минимальная сила на единицу площади составляет 1,6 ± 0,5 × 10 ^-2 нН / нм ² , что намного больше, чем величина, которую команда оценила для типичной силы сцепления щетинок геккона, которая составила 10 ^-4 нН / нм ² . Более поздние эксперименты с теми же структурами на скотче показали, что этот материал может выдерживать напряжение сдвига 36 Н / см ² , что почти в четыре раза выше, чем лапа геккона. Впервые синтетические щетинки продемонстрировали лучшие свойства, чем у натуральной лапы геккона. Более того, этот новый материал может склеиваться с более широким спектром материалов, включая стекло и тефлон.

Однако у этого нового материала есть некоторые проблемы. При натяжении параллельно поверхности лента отсоединяется не потому, что УНТ теряет сцепление с поверхностью, а потому, что они ломаются, и в этом случае ленту нельзя использовать повторно. Более того, в отличие от щетинок геккона, этот материал работает только на небольшой площади (около 1 см ² ). В настоящее время исследователи работают над несколькими способами усиления нанотрубок, а также стремятся сделать ленту многоразовой тысячи раз, а не десятки раз, которые теперь можно использовать.

Геккель

Микро вид на геккеля

В то время как большинство разработок касается сухой адгезии, группа исследователей изучала, как производные природных клеевых соединений из моллюсков могут быть объединены со структурами гекконового типа, чтобы получить клеи, которые работают как в сухих, так и во влажных условиях .

Получающийся в результате клей, названный «геккель», был описан как набор силиконовых столбиков из гекконов шириной 400 нм, изготовленных с помощью электронно-лучевой литографии и покрытых полимером, напоминающим мидии, синтетической формой встречающейся аминокислоты. естественно в мидиях (слева) ..

В отличие от настоящего клея для гекконов, этот материал зависит от сил Ван-дер-Ваальса для его адгезионных свойств и от химического взаимодействия поверхности с гидроксильными группами в белке мидий. Материал улучшает адгезию во влажном состоянии в 15 раз по сравнению с массивами стоек без покрытия. Так называемая лента «геккель» выдерживает 1000 циклов контакта и отсоединения, прочно прилипая как во влажной, так и в сухой среде.

На данный момент материал был протестирован на нитриде кремния , оксиде титана и золоте, которые используются в электронной промышленности. Однако, чтобы его можно было использовать в бинтах и медицинской ленте, что является ключевым потенциальным применением, он должен прилипать к коже человека. Исследователи протестировали другие синтетические белки на основе мидий, которые имеют похожие химические группы, и обнаружили, что они прикрепляются к живой ткани.

Geckel - это клей, который может прикрепляться как к влажным, так и к сухим поверхностям. Его сила «достигается за счет покрытия волокнистого силикона, похожего по структуре на лапу геккона, полимером, имитирующим« клей », используемый мидиями».

Команда черпала вдохновение у гекконов , которые могут поддерживать вес, в сотни раз превышающий свой собственный. Гекконы прикрепляются к миллиардам волосовидных структур, известных как щетинки . Исследователи совместили эту способность с липкостью мидий. Испытания показали, что «материал мог заклеиваться и отклеиваться более 1000 раз, даже когда он использовался под водой», при этом сохранялось 85 процентов их адгезионной прочности.

Филип Мессерсмит, ведущий исследователь в команде, которая разработала продукт, считает, что клей может иметь множество медицинских применений, например, ленты, которые могут заменить швы для закрытия раны, и водостойкий клей для повязок и пластырей для доставки лекарств.

Коммерческое производство

Для коммерческого производства этих клеев потребуются автоматизированные технологии массового производства, которые изучаются несколькими исследовательскими группами. Группа под руководством Метина Ситти из Университета Карнеги-Меллона изучала ряд различных методов, включая глубокое реактивное ионное травление (DRIE), которое успешно использовалось для изготовления решеток из полимерных волокон грибовидной формы, процессы микролитья, прямая самосборка и фотолитография.

В 2006 году исследователи из Центра передовых технологий BAE Systems в Бристоле, Великобритания, объявили, что с помощью фотолитографии они изготовили образцы «синтетического геккона» - множества грибовидных волосков из полиимида - диаметром до 100 мкм. Было показано, что они прилипают практически к любой поверхности, включая те, которые покрыты грязью, и было измерено отрывание 3000 кг / м². Совсем недавно компания использовала ту же технику для создания шаблонных силиконовых форм для производства материала и заменила полиимид на полидиметилсилоксан (PDMS). Этот последний материал показал прочность 220 кПа. Преимущество фотолитографии 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, вышедшей из Технологического университета Акрона , объявили о коммерческой доступности сухих клеев марки ShearGrip . Вместо того, чтобы полагаться на фотолитографию или другие стратегии микропроизводства, исследователи использовали электроспиннинг для производства волокон небольшого диаметра на основе принципа контактного расщепления, используемого гекконами. Продукт показал прочность на сдвиг более 80 фунтов на квадратный дюйм, с чистым удалением и возможностью повторного использования на многих поверхностях, а также с возможностью ламинирования материала на различные лицевые заготовки в одно- или двухсторонних 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

Синтетические щетинки, также известные как «лента геккона», находят широкое применение в различных областях, от нанотехнологий и военных применений до здравоохранения и спорта.

Нано-лента

« Нано-лента » (также называемая «клейкой лентой») часто продается в коммерческих целях как двусторонняя клейкая лента . С его помощью можно повесить легкие предметы, такие как картины и декоративные элементы, на гладкие стены, не пробивая в стене отверстия. Массив углеродных нанотрубок не оставляет следов после удаления и может оставаться липким при экстремальных температурах.

Робототехника

Пока еще не существует машины, которая могла бы маневрировать в «сканирующем» режиме, то есть проворно работать в условиях общей вертикальной местности без потери компетентности в работе на ровной поверхности. Перед разработкой сканирующей робототехники стоят две основные исследовательские задачи: во-первых, они стремятся понять, охарактеризовать и реализовать динамику лазания (силы реакции стен, траектории конечностей, взаимодействия с поверхностью и т. Д.); и, во-вторых, они должны спроектировать, изготовить и внедрить технологии адгезионных пластырей, которые обеспечивают соответствующие адгезионные и фрикционные свойства для облегчения необходимых взаимодействий с поверхностями.

Поскольку прогресс в робототехнике на ногах продолжается , исследования начали сосредотачиваться на развитии крепких альпинистов. Были разработаны различные роботы, которые поднимаются по плоской вертикальной поверхности с помощью присоски, магнитов и множества 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 идентичными механизмами с двумя степенями свободы, равномерно расположенными попарно по длине корпуса. Два исполнительных механизма на каждом бедре приводят в движение четырехстворчатый механизм, который преобразуется в движение стопы по заданной траектории и позиционирует плоскость четырехстворчатого механизма под углом по отношению к платформе. Доказано, что для успешного лазания робота RiSE в естественной и искусственной среде необходимо 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 адгезивные материалы для лазания по гладким поверхностям, таким как стекло.

Эти гусеничные и альпинистские роботы могут использоваться в военном контексте для проверки поверхностей самолетов на предмет дефектов и начинают заменять ручные методы проверки. Сегодняшние гусеничные машины используют вакуумные насосы и усиленные присоски, которые можно заменить этим материалом.

Липкий бот

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

Stickybot - это воплощение гипотез о требованиях к мобильности на вертикальных поверхностях с использованием сухой адгезии. Главное, что нам нужна контролируемая адгезия. Основные ингредиенты:

иерархическое соответствие для соответствия в масштабе сантиметра, миллиметра и микрометра,
анизотропные сухие адгезионные материалы и конструкции, позволяющие контролировать адгезию, контролируя сдвиг,
распределенное управление активным усилием, которое работает с податливостью и анизотропией для достижения стабильности.

Гекобот

Другой подобный пример - «Гекобот», разработанный в Университете Карнеги-Меллона, который поднимался под углами до 60 °.

Эндопротезирование

Клеи на основе синтетических щетинок были предложены в качестве средства захвата, перемещения и выравнивания хрупких деталей, таких как сверхминиатюрные схемы, нановолокна и наночастицы, микросенсоры и микродвигатели. В среде макромасштабов они могут наноситься непосредственно на поверхность продукта и заменять соединения, основанные на винтах, заклепках, обычных клеях и фиксирующих язычках в промышленных товарах. Таким образом упростятся процессы сборки и разборки. Также было бы полезно заменить обычный клей синтетическим клеем для геккона в вакууме (например, в космосе), поскольку жидкий ингредиент в обычном клее будет легко испаряться и вызывать разрушение соединения.

Languages

In other projects