Varför klättrade geckon på skyskrapan? För att det kunde; dess tår fastnar på ungefär vad som helst. I ett par år, ingenjörer har känt till geckoklibbighetens hemligheter och emulerat den i remsor av gummiartade material som är användbara för att plocka upp och släppa föremål, men enkel massproduktion för dagligt bruk har varit utom räckhåll fram till nu.

Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat, i en ny studie, en metod att tillverka gecko-inspirerade limmaterial som är mycket mer kostnadseffektiv än nuvarande metoder. Det skulle kunna möjliggöra massproduktion och spridning av de mångsidiga gripremsorna till tillverkning och hem.

Polymerer med "geckoadhesion"-ytor skulle kunna användas för att göra extremt mångsidiga gripdon för att plocka upp väldigt olika föremål även på samma löpande band. De skulle kunna göra det enkelt att hänga bilder genom att fästa vid både tavlan och väggen samtidigt. Dammsugarrobotar med geckovidhäftning skulle en dag kunna skjuta upp höga byggnader för att rengöra fasader.

"Med undantag för saker som teflon, det kommer att fästa vid vad som helst. Detta är en klar fördel vid tillverkning eftersom vi inte behöver förbereda gripdonet för specifika ytor vi vill lyfta. Gecko-inspirerade lim kan lyfta platta föremål som lådor och sedan vända och lyfta böjda föremål som ägg och grönsaker, sa Michael Varenberg, studiens huvudforskare och biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering i Georgia Tech.

Aktuella gripdon på löpande band, såsom klämmor, magneter, och sugkoppar, kan varje lyft begränsat antal föremål. Gripare baserade på gecko-inspirerade ytor, som är torra och inte innehåller något lim eller smuts, kan ersätta många gripdon eller bara fylla i kapacitetsluckor som lämnats av andra gripmekanismer.

Dra ut rakhyvlar

Vidhäftningen kommer från utsprång som är några hundra mikrometer stora som ofta ser ut som sektioner av korta, diskettväggar som löper parallellt med varandra över materialets yta. Hur de fungerar genom att efterlikna geckos fötter förklaras nedan.

Tills nu, gjutning har producerat dessa mesoskala väggar genom att hälla ingredienser på en mall, låta blandningen reagera och stelna till en flexibel polymer och sedan ta bort den från formen. Men metoden är obekväm.

"Gjutningsmetoder är dyra och tidskrävande processer. Och det finns problem med att få det geckoliknande materialet att släppa från mallen, som kan störa kvaliteten på fästytan, sa Varenberg.

Forskarnas nya metod bildade dessa väggar genom att hälla ingredienser på en slät yta istället för en form, låta polymeren delvis stelna och doppa sedan rader av laboratorierakblad i den. Materialet sitter lite mer runt bladen, som sedan drogs ut, lämnar efter sig mikronskaliga fördjupningar omgivna av önskade väggar.

Varenberg och första författaren Jae-Kang Kim publicerade detaljer om sin nya metod i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt den 6 april, 2020.

Glöm perfektion

Även om den nya metoden är lättare än att gjuta, att utveckla det tog ett år av doppning, teckning, och omjustering samtidigt som man granskar kräsna detaljer under ett elektronmikroskop.

"Det finns många parametrar att kontrollera:vätskans viskositet och temperatur; timing, fart, och avståndet för att dra tillbaka bladen. Vi behövde tillräckligt med plasticitet av den härdande polymeren till bladen för att sträcka upp väggarna, och inte så mycket styvhet som skulle få väggarna att slita sönder, sa Varenberg.

Gecko-inspirerade ytor har en fin topografi på mikronskala och ibland även på nanoskala, och ytor gjorda via gjutning är vanligtvis de mest exakta. Men sådan perfektion är onödig; materialen gjorda med den nya metoden gjorde jobbet bra och var också markant robusta.

"Många forskare som visar geckovidhäftning måste göra det i ett renrum i ren utrustning. Vårt system fungerar helt enkelt i normala miljöer. Det är robust och enkelt, och jag tror att det har god potential för användning i industri och hem, sa Varenberg, som studerar ytor i naturen för att efterlikna deras fördelaktiga egenskaper i människotillverkade material.

Gecko fot ludd

Se geckos fot. Den har åsar på tårna, och detta har fått en del tidigare att tro att deras fötter fastnar genom sug eller någon form av grepp i huden.

Men elektronmikroskop avslöjar en djupare struktur - spatelformade borstfibriller sticker ut några dussin mikron långa från dessa åsar. Fibrillerna gör så noggrann kontakt med ytor ner till nanoskala att svaga attraktioner mellan atomer på båda sidor verkar öka enormt för att skapa en övergripande stark vidhäftning.

I stället för ludd, ingenjörer har utvecklat rader av former som täcker material som producerar effekten. En vanlig form får ett material att se ut som ett svampfält som är några hundra mikrometer stort; en annan är rader av korta väggar som de i denna studie.

"Svampmönstren berör en yta, och de fästs genast, men lösgöring kräver att krafter anbringas som kan vara ofördelaktiga. De väggformade utsprången kräver mindre skjuvkraft som en bogserbåt eller ett försiktigt grepp för att skapa vidhäftning, men det är lätt, och att släppa föremålet är okomplicerat, för, sa Varenberg.

Varenbergs forskargrupp använde ritmetoden för att göra väggar med U-formade utrymmen emellan och väggar med V-formade utrymmen emellan. De arbetade med polyvinylsiloxan (PVS) och polyuretan (PU). V-formen gjord i PVS fungerade bäst, men polyuretan är det bättre materialet för industrin, så Vanenbergs grupp kommer nu att arbeta för att uppnå det V-formade gecko-greppmönstret i PU för bästa möjliga kombination.