Den speciella strukturen på gräshoppornas fötter inspirerade forskarna från Kiel University till ett artificiellt vidhäftningssystem som fungerar på olika ytor. Kredit:Stanislav Gorb
I deras vardag, insekter får ofta klara av både grova och släta samt klibbiga ytor. De får ett stadigt grepp genom speciella krokar eller små hårstrån på fötterna. Även om dessa olika krav inte är ett problem för många insekter, tekniska tillämpningar är mindre flexibla. De är vanligtvis speciellt utvecklade för en viss applikation – som sommar- eller vinterdäck, till exempel — och kan inte anpassa sig till olika ytor. Inspirerad av den speciella strukturen hos gräshoppans fötter, ett tvärvetenskapligt forskarlag vid Kiel University (CAU) har nu utvecklat ett artificiellt friktionssystem som fungerar på en mängd olika ytor. Deras kombination av ett mjukt silikonmembran, fylld med finkornigt granulat, anpassar sig till nästan alla underlag och skapar ett stadigt grepp under lätt tryck. Den enkla produktionsmetoden möjliggör även industriella tillämpningar, som rapporterats av forskargruppen i det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften Avancerade materialgränssnitt .
Växla mellan mjuka och hårda materialegenskaper
Ett stadigt grepp kräver en bra kontaktyta samt en stabil kraftöverföring på samma gång. "För att hålla sig till olika ytor, vi måste växla mellan beteendet hos mjuka och hårda material, vilket faktiskt är en motsägelse i termer, " förklarade Stanislav Gorb, Professor i funktionell morfologi och biomekanik vid CAU. Även om mjuka material tillåter en stor kontaktyta med det stora utbudet av ytstrukturer, hårda material möjliggör en optimal kraftöverföring. Därför, bionikexperten och hans team sökte ett sätt att växla mellan de två materialegenskaperna. Dessutom, de ville ha en lösning som var enkel och ekonomisk att producera, så att den även kan användas för industriella applikationer.
De inspirerades av gräshoppornas speciella fötter, som kännetecknas av små, kuddliknande bihang. I tidigare forskning, Gorb och hans team kunde visa att dessa kuddar är omslutna av en gummiliknande film, som ger god friktions- och vidhäftningskontakt med ytan. Å andra sidan, insidan av kuddarna består av särskilt stabila fibrer som kan överföra mycket kraft. Att återskapa en sådan fibrillär struktur skulle vara för tidskrävande och för dyrt för industriella tillämpningar, dock.
Inspirerad av gräshoppans fötter:Det elastiska membranet i limsystemet som utvecklats på CAU anpassar sig väl till ojämna ytor. Om lätt tryck appliceras på den i det andra steget, de granulära partiklarna inuti rör sig närmare varandra. Detta ökar styvheten hos hela materialet och det kan inte flyttas från platsen. Kredit:Halvor Tramsen
Nu, forskargruppen från Kiel har visat en liknande effekt för granulat, dvs ett finkornigt material. Att göra så, de använde en princip om så kallad "jamming transition". "Du vet att från vakuumförpackat kaffe:kaffepulvret komprimeras och bildar en tät massa, hård som en sten. När paketet öppnas för första gången, pulvret blir löst, och beter sig därför helt annorlunda, som en vätska, " beskrev Halvor Tramsen, som tillsammans med Lars Heepe är en av fysikerna i forskargruppen.
Höga friktionskrafter på slät, strukturerade och smutsiga ytor
De inkapslade granulatet av ett flexibelt membranskydd och testade friktionsegenskaperna hos deras "granulära kudde" GMFP (granulär medium friktionsdyna) på slät, strukturerade och smutsiga ytor. Tack vare det mjuka och töjbara membranet, kudden fäst perfekt på de olika ytorna. Forskarna utövade sedan tryck på kudden, som komprimerade granulatet inuti, och stelnade hela dynan. Denna styvhet och den stora kontaktytan med ytan genererar tillsammans höga friktionskrafter genom vilka dynan inte längre kan förflyttas. Kudden uppvisade lika hög friktion på alla tre typerna av testytor.
Det flexibla överdraget anpassar sig till jämna grova ytor så att silikonkudden inte kan flyttas, även under hårt tryck. Kredit:Siekmann, CAU
Hur friktionsprincipen för granulatkudden fungerar på andra ytor illustreras av en modell utvecklad av professor Alexander Filippov, en teoretisk fysiker och Georg Forster forskare i Kiel-arbetsgruppen. Hans numeriska modell gjorde det också möjligt att testa interaktionen mellan granulat och membran för andra material och partikelstorlekar.
"I vår prototyp, vi använde elastiskt silikon för locket och fyllde det faktiskt med torkad kaffesump, " förklarade Gorb. På grund av deras storlek och deras grova form, dessa partiklar intrasslar väldigt lätt med varandra, och jamming-övergångseffekten, dvs växlingen mellan egenskaperna hos mjuka och hårda material, fungerar särskilt bra. I princip, det är säkert tänkbart att även använda torkad kaffesump för industriella applikationer med återvinningsfördelar. Trots allt, denna kafferester är lättillgänglig, fri från föroreningar och billig, sa Gorb. Forskning på andra granulära material och membranytor är redan planerad.
