Syntetisk setae
Syntetiska setae efterliknar setae som finns på tårna på en gecko och vetenskaplig forskning inom detta område drivs mot utvecklingen av torra lim . Geckos har inga svårigheter att bemästra vertikala väggar och är tydligen kapabla att fästa sig på nästan vilken yta som helst. De femtåiga fötterna på en gecko är täckta med elastiska hårstrån som kallas setae och ändarna av dessa hårstrån delas i nanoskala strukturer som kallas spatlar (på grund av deras likhet med faktiska spatlar ). Det stora överflödet och närheten till ytan av dessa spatlar gör det tillräckligt för van der Waals krafter enbart för att ge den erforderliga vidhäftningsstyrkan . Efter upptäckten av geckos vidhäftningsmekanism 2002, som är baserad på van der Waals krafter, har biomimetiska lim blivit ämnet för en stor forskningssatsning. Denna utveckling är redo att ge familjer av nya självhäftande material med överlägsna egenskaper som sannolikt kommer att kunna användas inom industrier som sträcker sig från försvar och nanoteknik till hälsovård och sport.
Grundläggande principer
Geckos är kända för sin exceptionella förmåga att sticka och springa på vilken vertikal och inverterad yta som helst (exklusive teflon ). Men geckotår är inte klibbiga på vanligt sätt som kemiska lim. Istället kan de lossna från ytan snabbt och förbli ganska rena runt vardagliga föroreningar även utan skötsel.
Extraordinär vidhäftning
De två främre fötterna på en tokay-gecko kan motstå 20,1 N kraft parallellt med ytan med 227 mm 2 kuddarea, en kraft så mycket som 40 gånger geckos vikt. Forskare har undersökt hemligheten bakom denna extraordinära vidhäftning ända sedan 1800-talet, och minst sju möjliga mekanismer för geckovidhäftning har diskuterats under de senaste 175 åren. Det har funnits hypoteser om lim, friktion, sug, elektrostatik , mikrolåsande och intermolekylära krafter . Klibbiga sekret uteslöts först tidigt i studien av geckovidhäftning eftersom geckos saknar körtelvävnad på tårna. Friktionshypotesen avfärdades också snabbt eftersom friktionskraften endast verkar vid skjuvning vilket inte kan förklara geckos adhesiva förmåga på inverterade ytor. Hypotesen att tådynorna fungerar som sugkoppar avfärdades 1934 genom experiment som utfördes i ett vakuum där geckons tår förblev fast. På samma sätt motbevisades den elektrostatiska hypotesen av ett experiment som visade att geckos fortfarande kunde vidhäfta även när uppbyggnaden av elektrostatisk laddning var omöjlig (som på en metallyta i luft som joniserats av en ström av röntgenstrålar). Mekanismen för mikrosammankoppling som antydde att de böjda spetsarna på setae kunde fungera som krokar i mikroskala utmanades också av det faktum att geckos genererar stora vidhäftningskrafter även på molekylärt släta ytor.
Möjligheterna minskade slutligen till intermolekylära krafter, och utvecklingen av elektronmikroskopi på 1950-talet, som avslöjade mikrostrukturen av setae på geckos fot, gav ytterligare bevis för att stödja denna hypotes. Problemet löstes slutligen år 2000 av en forskargrupp ledd av biologerna Kellar Autumn från Lewis & Clark College i Portland, Oregon, och Robert Full vid University of California i Berkeley. De visade att undersidan av en geckotå vanligtvis bär en serie åsar, som är täckta med enhetliga rader av setae, och varje seta delar sig vidare i hundratals kluvna toppar och platta spetsar som kallas spatlar (se figuren till höger ) . En enda seta av tokay gecko är ungefär 110 mikrometer lång och 4,2 mikrometer bred. Var och en av en setas grenar slutar i en tunn, triangulär spatel ansluten vid sin spets. Änden är cirka 0,2 mikrometer lång och 0,2 mikrometer bred. Vidhäftningen mellan geckos fot och ytorna är exakt resultatet av Van der Waals-kraften mellan varje seta och ytmolekylerna. En enda seta kan generera upp till 200 μN kraft. Det finns cirka 14 400 setae per kvadratmillimeter på foten av en tokay-gecko, vilket leder till ett totalt antal av cirka 3 268 800 setae på en tokay-geckos två framfötter. Från ekvationen för intermolekylär potential:
där och är antalet kontakter på de två ytorna, R är radien för varje kontakt och D är avståndet mellan två ytor.
Vi finner att den intermolekylära kraften, eller van der Waals-kraften i detta fall mellan två ytor, i hög grad domineras av antalet kontakter. Detta är just anledningen till att geckos fötter kan generera extraordinär vidhäftningskraft till olika typer av ytor. Den kombinerade effekten av miljontals spatlar ger en vidhäftningskraft många gånger större än vad geckon behöver för att hänga i ett tak med en fot.
Lyftmekanism
De förvånansvärt stora krafterna som genereras av geckos tår väckte frågan om hur geckos lyckas lyfta sina fötter så snabbt – på bara 15 millisekunder – utan några mätbara lösgöringskrafter. Kellar Autumn och hans forskargrupp upptäckte "lyftmekanismen" för geckos fötter. Deras upptäckt avslöjade att geckolim faktiskt fungerar på ett "programmerbart" sätt som genom att öka vinkeln mellan setalaxeln och substratet till 30 grader, oavsett hur stor den vinkelräta vidhäftningskraften är, så "stänger" geckos klibbigheten sedan den ökade spänning vid bakkanten av seta gör att bindningarna mellan seta och substratet bryts. Setan återgår sedan till ett obelastat standardläge. Å andra sidan, genom att applicera förspänning och dra längs ytan, aktiverar geckos den modulerade klibbigheten. Denna "Lift-off"-mekanism kan visas i bilden till höger.
Självrengörande förmåga
Till skillnad från konventionella lim blir geckolim renare vid upprepad användning och förblir därmed ganska rent runt vardagliga föroreningar som sand, damm, lövströ och pollen. Dessutom, till skillnad från vissa växter och insekter som har förmågan att självrengöra med droppar, är geckos inte kända för att putsa sina fötter för att behålla sina vidhäftande egenskaper – allt de behöver är bara några få steg för att återställa sin förmåga att hålla fast vid vertikala ytor.
Kellar Autumn och hans forskargrupp har genomfört experiment för att testa och visa denna förmåga hos gecko. De använder också den mekaniska kontaktmodellen för att antyda att självrengöring uppstår genom en energisk ojämvikt mellan de adhesiva krafterna som drar till sig en smutspartikel till substratet och de som attraherar samma partikel till en eller flera spatlar. Med andra ord kräver Van der Waals interaktionsenergi för partikelväggsystemet ett tillräckligt stort antal partikel-spatelsystem för att motverka; men relativt få spatlar kan faktiskt fästa till en enskild partikel, därför tenderar de förorenande partiklarna att fästa på substratytan snarare än på geckos tå på grund av denna ojämvikt. Figuren till höger visar modellen för interaktion mellan N spatlar, en smutspartikel och en plan vägg.
Det är viktigt att veta att denna egenskap av självrengörande verkar inneboende i den setal nanostrukturen och därför bör vara replikerbar i syntetiska vidhäftande material. Faktum är att Kellar Autumns grupp observerade hur självrengöring fortfarande inträffade i uppsättningar av setae när de isolerades från de använda geckos.
Utveckling och förhållningssätt
Upptäckten om geckos fötter ledde till tanken att dessa strukturer och mekanismer kan utnyttjas i en ny familj av lim, och forskargrupper från hela världen undersöker nu detta koncept. Och tack vare utvecklingen av nanovetenskap och -teknik kan människor nu skapa biomimetiskt lim inspirerat av geckos setae med hjälp av nanostrukturer . Faktum är att intresset och nya upptäckter för lim av geckotyp blomstrar, vilket illustreras av det växande antalet artiklar som publiceras om detta ämne. dock är syntetiska setae fortfarande i ett mycket tidigt stadium.
Effektiv design
Effektiv design av geckoliknande lim kommer att kräva djup förståelse för de principer som ligger till grund för egenskaperna som observeras i det naturliga systemet. Dessa egenskaper, principer och relaterade parametrar för geckolimsystemet visas i följande tabell. Den här tabellen ger oss också en inblick i hur forskare översätter de goda egenskaperna hos geckos setae (som visas i den första kolumnen) till de parametrar som de faktiskt kan kontrollera och designa (som visas i den tredje kolumnen).
| Egenskaper | Principer | parametrar |
|---|---|---|
|
1. Anisotropt fäste 2. Högt µ' (drag/förspänning) |
Fribärande balk | Axellängd, radie, densitet, skaftvinkel |
| 3. Låg lösgöringskraft | Låg effektiv styvhet | Skaftmodul, spatelform |
| 4. Materiell självständighet klibbighet |
Van der Waals mekanism JKR-liknande * kontaktmekanik Nanoarray (delad kontakt) |
Spatelstorlek, spatelform, spateltäthet |
| 5. Självrengörande förmåga | Nanoarray (delad kontakt) | Spatulär bulkmodul |
| 6. Anti-självklibbighet | Liten kontaktyta | Partikelstorlek, form, ytenergi |
| 7. Nonsticky standardtillstånd | Icke-klibbiga spatlar, hydrofob, Van der Waals kraft | Spatulär storlek, form, ytenergi |
*JKR hänvisar till Johnson, Kendall, Roberts modell för vidhäftning
Sammanfattningsvis inkluderar nyckelparametrarna i designen av syntetiskt gecko-lim:
- Mönster och periodicitet för de syntetiska setae
- Hierarkisk struktur
- Längd, diameter, vinkel och styvhet på axlarna
- Storlek, form och styvhet hos spatlarna (änden av satae)
- Underlagets flexibilitet
Det finns en växande lista över benchmarkegenskaper som kan användas för att utvärdera effektiviteten av syntetiska setae, och vidhäftningskoefficienten, som definieras som:
där är den applicerade förspänningskraften och är den genererade vidhäftningskraften. Adhesionskoefficienten för riktiga gecko-setae är vanligtvis 8~16.
Material
I den första utvecklingen av syntetiska setae används ofta polymerer som polyimid , polypropen och polydimetylsiloxan (PDMS), eftersom de är flexibla och lätta att tillverka. Senare, eftersom nanotekniken utvecklades snabbt, föredras kolnanorör (CNT) av de flesta forskargrupper och används i de senaste projekten. CNT:er har mycket större möjliga längd-till-diameter-förhållande än polymerer, och de uppvisar både extraordinär styrka och flexibilitet, såväl som goda elektriska egenskaper. Det är dessa nya egenskaper som gör syntetiska setae mer effektiva.
Tillverkningstekniker
Ett antal MEMS / NEMS -tillverkningstekniker används för tillverkning av syntetiska setae, som inkluderar fotolitografi / elektronstrålelitografi , plasmaetsning , djupreaktiv jonetsning (DRIE), kemisk ångavsättning (CVD) och mikroformning, etc.
Exempel
I det här avsnittet kommer flera typiska exempel att ges för att visa design- och tillverkningsprocessen för syntetiska setae. Vi kan också få en inblick i utvecklingen av denna biomimetiska teknologi under de senaste åren från dessa exempel.
Geckotejp
Detta exempel är en av de första utvecklingarna av syntetiska setae, som uppstod från ett samarbete mellan Manchester Center for Mesoscience and Nanotechnology och Institutet för mikroelektronikteknik i Ryssland. Arbetet startade 2001 och två år senare publicerades resultaten i Nature Materials.
Gruppen preparerade flexibla fibrer av polyimid som syntetiska setae-strukturer på ytan av en 5 μm tjock film av samma material med hjälp av elektronstrålelitografi och torretsning i en syreplasma . Fibrerna var 2 μm långa, med en diameter på cirka 500 nm och en periodicitet på 1,6 μm, och täckte en yta på ungefär 1 cm 2 (se figuren till vänster). Inledningsvis använde teamet en kiselskiva som substrat men fann att tejpens vidhäftningsförmåga ökade med nästan 1 000 gånger om de använde ett mjukt bindande substrat som Scotch-tejp – Detta beror på att det flexibla substratet ger en mycket högre andel av antalet setae i kontakt med ytan över det totala antalet setae.
Resultatet av denna "gecko-tejp" testades genom att fästa ett prov på handen av en 15 cm hög Spider-Man-figur av plast som vägde 40 g, vilket gjorde att den kunde hålla sig till ett glastak, som visas i figuren. Tejpen, som hade en kontaktyta på cirka 0,5 cm 2 med glaset, kunde bära en belastning på mer än 100 g. Adhesionskoefficienten var dock bara 0,06, vilket är lågt jämfört med riktiga geckos (8~16).
Syntetiskt gecko-fothår
När nanovetenskap och nanoteknik utvecklas, involverar fler projekt tillämpningen av nanoteknik, särskilt användningen av kolnanorör (CNT). År 2005 skapade forskare från University of Akron och Rensselaer Polytechnic Institute, båda i USA, syntetiska setae-strukturer genom att deponera flerväggiga CNT genom kemisk ångavsättning på kvarts- och kiselsubstrat
Nanorören var vanligtvis 10–20 nm i diameter och cirka 65 μm långa. Gruppen kapslade sedan in de vertikalt inriktade nanorören i PMMA-polymer innan de exponerade de översta 25 μm av rören genom att etsa bort en del av polymeren. Nanorören tenderade att bilda intrasslade buntar med en diameter av cirka 50 nm på grund av torkningsprocessen för lösningsmedel som användes efter etsning. (Som visas i bilden till höger).
Resultaten testades med ett scanningsprobmikroskop och det visade att den minsta kraften per ytenhet var 1,6±0,5×10 −2 nN/nm 2 , vilket är mycket större än den siffra som teamet uppskattade för den typiska vidhäftningskraften för en geckos setae, som var 10 −4 nN/nm 2 . Senare experiment med samma strukturer på tejp visade att detta material kunde stödja en skjuvspänning på 36 N/cm 2 , nästan fyra gånger högre än en geckofot. Detta var första gången syntetiska setae uppvisade bättre egenskaper än naturliga geckofot. Dessutom kan detta nya material vidhäfta ett större utbud av material, inklusive glas och teflon.
Det här nya materialet har dock vissa problem. När den dras parallellt med en yta släpper tejpen, inte för att CNT:erna tappar vidhäftning från ytan utan för att de går sönder, och tejpen kan inte återanvändas i detta fall. Dessutom, till skillnad från geckos setae, fungerar detta material endast för små ytor (ca 1 cm 2 ). Forskarna arbetar för närvarande med ett antal sätt att stärka nanorören och siktar också på att göra bandet återanvändbart tusentals gånger, snarare än de dussintals gånger det nu kan användas.
Geckel
Medan de flesta utvecklingar rör torr vidhäftning, studerade en grupp forskare hur derivat av naturligt förekommande limföreningar från blötdjur kunde kombineras med strukturer av geckotyp för att ge lim som fungerar i både torra och våta förhållanden .
Det resulterande limmet, kallat 'geckel', beskrevs vara en samling geckomimetiska, 400 nm breda silikonpelare, tillverkade med elektronstrålelitografi och belagda med en musselmimetisk polymer, en syntetisk form av aminosyran som förekommer naturligt i musslor (till vänster). [ förtydligande behövs ] .
Till skillnad från äkta geckolim beror materialet på van der Waals krafter för dess vidhäftningsegenskaper och på ytans kemiska interaktion med hydroxylgrupperna i musselproteinet. Materialet förbättrar våtvidhäftningen 15-faldigt jämfört med obelagda pelaruppsättningar. Den så kallade "geckel"-tejpen fäster genom 1 000 kontakt- och frigöringscykler och fäster starkt i både våta och torra miljöer.
Hittills har materialet testats på kiselnitrid , titanoxid och guld, som alla används inom elektronikindustrin. Men för att den ska kunna användas i bandage och medicinsk tejp, en viktig potentiell applikation, måste den kunna fästa på mänsklig hud. Forskarna testade andra musselinspirerade syntetiska proteiner som har liknande kemiska grupper och fann att de fäster vid levande vävnad.
Geckel är ett lim som kan fästa på både våta och torra ytor. Dess styrka "kommer från att belägga fibröst silikon, liknande struktur som en geckofot, med en polymer som efterliknar "limmet" som används av musslor."
Teamet hämtade inspiration från geckos , som kan bära hundratals gånger sin egen kroppsvikt. Geckos förlitar sig på miljarder hårliknande strukturer, kända som setae för att fästa. Forskare kombinerade denna förmåga med musslornas stickkraft. Tester visade att "materialet kunde sitta fast och lossa mer än 1 000 gånger, även när det användes under vatten", med bibehållen 85 procent av sin vidhäftningsstyrka.
Phillip Messersmith, ledande forskare i teamet som utvecklade produkten, tror att limmet kan ha många medicinska tillämpningar, till exempel tejp som kan ersätta suturer för att stänga ett sår och ett vattenbeständigt lim för bandage och plåster för läkemedelstillförsel.
Kommersiell produktion
Automatiserade tillverkningstekniker med stora volymer kommer att vara nödvändiga för att dessa lim ska produceras kommersiellt och undersöktes av flera forskargrupper. En grupp ledd av Metin Sitti från Carnegie Mellon University studerade [ när? ] en rad olika tekniker som inkluderar djupreaktiv jonetsning (DRIE), som har använts framgångsrikt för att tillverka svampformade polymerfibermatriser, mikroformningsprocesser, direkt självmontering och fotolitografi. [ citat behövs ]
År 2006 meddelade forskare vid BAE Systems Advanced Technology Center i Bristol, Storbritannien, att de hade producerat prover av "syntetisk gecko" - uppsättningar av svampformade hår av polyimid - genom fotolitografi, med diametrar upp till 100 μm. Dessa visades fästa på nästan vilken yta som helst, inklusive de som var täckta av smuts, och ett avdrag på 3 000 kg/m^2 uppmättes. [ citat behövs ] På senare tid har företaget använt samma teknik för att skapa mönstrade kiselformar för att producera materialet och har ersatt polyimiden med polydimetylsiloxan (PDMS). Detta senaste material uppvisade en styrka på 220 kPa. Fotolitografi har fördelen av att vara allmänt använd, väl förstådd och skalbar upp till mycket stora ytor billigt och enkelt, vilket inte är fallet med vissa av de andra metoderna som används för att tillverka prototypmaterial. [ citat behövs ]
Under 2019 tillkännagav forskare från Akron Ascent Innovations, LLC , ett företag från University of Akrons teknologi, den kommersiella tillgängligheten av torra lim av märket " ShearGrip ". Istället för att förlita sig på fotolitografi eller andra mikrotillverkningsstrategier använde forskarna elektrospinning för att producera fibrer med liten diameter baserat på principen om kontaktdelning som utnyttjas av geckos. Produkten har rapporterat skjuvhållfasthet större än 80 pund per kvadrattum, med ren borttagning och återanvändbarhet på många ytor, och förmågan att laminera materialet till olika ytmaterial i en- eller tvåsidiga konstruktioner. Tillvägagångssättet påstås vara mer skalbart än andra strategier för att producera syntetiska setae och har använts för att producera produkter för konsumentmarknader under varumärket Pinless .
Ansökningar
Det har funnits ett brett utbud av tillämpningar av syntetiska setae, även känd som "gecko-tejp", allt från nanoteknik och militär användning till hälsovård och sport.
Nanotejp
" Nano tejp " (även kallat "gecko tejp") säljs ofta kommersiellt som dubbelhäftande tejp . Den kan användas för att hänga lätta föremål som bilder och prydnadsföremål på släta väggar utan att stansa hål i väggen. Kolnanorörsuppsättningarna lämnar inga rester efter borttagning och kan förbli klibbiga i extrema temperaturer.
Robotik
Det finns ännu ingen maskin som kan manövrera i "scansorial"-regimen – det vill säga utföra smidigt i allmänna vertikala terrängmiljöer utan förlust av kompetens i plan markdrift. Två stora forskningsutmaningar står inför utvecklingen av scansorial robotik: För det första försöker de förstå, karakterisera och implementera klättringens dynamik (väggsreaktionskrafter, lembanor, ytinteraktioner, etc.); och för det andra måste de designa, tillverka och använda adhesiv patch-teknik som ger lämpliga vidhäftnings- och friktionsegenskaper för att underlätta nödvändiga ytinteraktioner.
När framstegen fortsätter inom benrobotik har forskningen börjat fokusera på att utveckla robusta klättrare. Olika robotar har utvecklats som klättrar på platta vertikala ytor med hjälp av sug, magneter och uppsättningar av små ryggar för att fästa sina fötter på ytan.
RiSE-plattform
RiSE-plattformen utvecklades i Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory, Stanford University. Den har tolv frihetsgrader (DOF), med sex identiska två DOF-mekanismer fördelade på lika inbördes avstånd i par längs kroppens längd. Två manöverdon på varje höft driver en fyrstångsmekanism, som omvandlas till fotrörelse längs en föreskriven bana, och positionerar planet för fyrstångsmekanismen i vinkel med avseende på plattformen. För att RiSE-roboten ska lyckas klättra i både naturliga och konstgjorda miljöer har det visat sig nödvändigt att använda flera vidhäftningsmekanismer. RiSE-roboten gör det inte, men kommer att använda torr vidhäftning i kombination med ryggar.
På senare tid har robotar utvecklats som använder syntetiska självhäftande material för att klättra på släta ytor som glas.
Dessa larv- och klätterrobotar kan användas i militära sammanhang för att undersöka flygplans ytor för defekter och börjar ersätta manuella inspektionsmetoder. Dagens larvband använder vakuumpumpar och kraftiga sugkuddar som kan ersättas av detta material.
Stickybot
Forskare vid Stanford University har också skapat en robot som heter Stickybot som använder syntetiska setae för att skala även extremt släta vertikala ytor precis som en gecko skulle göra.
Stickybot är en utföringsform av hypoteserna om kraven på rörlighet på vertikala ytor med torr vidhäftning. Huvudpoängen är att vi behöver kontrollerbar vidhäftning. De väsentliga ingredienserna är:
- hierarkisk överensstämmelse för överensstämmelse på centimeter-, millimeter- och mikrometerskalor,
- anisotropa torra limmaterial och strukturer så att vi kan kontrollera vidhäftning genom att kontrollera skjuvning,
- distribuerad aktiv kraftkontroll som arbetar med compliance och anisotropi för att uppnå stabilitet.
Geckobot
Ett annat liknande exempel är "Geckobot" utvecklad vid Carnegie Mellon University, som har klättrat i vinklar på upp till 60°.
Gemensam ersättning
Lim baserade på syntetiska setae har föreslagits som ett sätt att plocka upp, flytta och rikta in känsliga delar som ultraminiatyrkretsar, nanofibrer och nanopartiklar, mikrosensorer och mikromotorer. I den makroskaliga miljön kunde de appliceras direkt på ytan av en produkt och ersätta fogar baserade på skruvar, nitar, konventionella lim och sammankopplade flikar i tillverkade varor. På så sätt skulle både monterings- och demonteringsprocesserna förenklas. Det skulle också vara fördelaktigt att ersätta konventionellt lim med syntetiskt gecko-lim i vakuummiljö (t.ex. i rymden) eftersom den flytande ingrediensen i konventionellt lim lätt skulle avdunsta och orsaka att anslutningen misslyckas. [ citat behövs ]
externa länkar