Ett team av ingenjörer och marinbiologer byggde en bättre sugkopp inspirerad av mekanismen som gör att klingfisken kan fästa på både släta och grova ytor, såsom stenar i området där tidvattnet kommer och går.

Forskare omvandlade klinfiskens sugskiva och utvecklade enheter som klamrar sig väl fast vid våta och torra föremål både i och utanför vattnet. Enheterna kan hålla upp till hundratals gånger sin egen vikt. De kan användas i ett brett spektrum av tillämpningar från hantering och förpackning för produkter, till robotgripare i tillverkningen, till återvinning av arkeologiska artefakter.

Teamet från University of California San Diego presenterar sina resultat i ett färskt nummer av tidskriften Bioinspiration och biomimetik .

Det övergripande målet med projektet var att utveckla en ny teknik som kan ge ett känsligt grepp för att hantera ömtåliga föremål. Studien belyser vikten av biomimik, som gör det möjligt för forskare över discipliner från teknik till biologi att arbeta tillsammans och hämta inspiration från naturen för att utveckla ny teknik.

"Jag har alltid varit fascinerad av naturen, och specifikt de intrikata och direkt fascinerande designerna som har utvecklats och som kan göra vad modern teknik inte kan, " sa Jessica Sandoval, en Ph.D. student vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och huvudförfattare till studien. "Detta var ett perfekt tillfälle att få studera vidhäftningsmekanismen i dessa klinfiskar och ta upp hur tekniken bakom vidhäftning från sugkoppar kan förbättras."

Förbättra sugkoppar genom biomimik

Klingfisk är små fiskar som är utbredda i tropiska och tempererade områden. De är vanliga i tidvattenområden, där de använder sin kraftfulla sugförmåga för att fästa vid stenar, alger, och sjögräs. De kan förbli fast vid dessa ytor även i kraftiga strömmar och när de drabbas av vågor. Klingfisken som användes i denna studie var en art hemmahörande på västkusten, och samlades in precis utanför San Diego.

Genom att studera klinfisken de samlade, Sandoval och kollegor fann att hemligheten som efterliknar fästmekanismen som djuret använder var att inkorporera ett mjukt lager och slitsar i de konstgjorda sugkopparna. Klingfiskens sugskiva är kantad med rader av hexagonala strukturer, kallas papiller, som är täckta med mikroskopiska fibrer. Forskare härmade detta inuti sina prototyper med ett mjukt lager gjord av silikon. Det skiktet förbättrade dramatiskt limprestandan på grova ytor. Teamet införlivade också slitsar i sugkoppens kammare, som säkerställer bättre vidhäftning till oregelbundna, konkava ytor.

"När jag först pratade med mina ingenjörskollegor, Jag var säker på att tricket för att optimera sugkoppen skulle komma från biologin, " sa studiemedförfattare Dimitri Deheyn, en forskare i marinbiologi och biomimik vid Scripps Institution of Oceanography vid UC San Diego. "Jag var också säker på att en bättre sugkopp skulle kombinera en unik designarkitektur och en 3D, mångsidig mekanism av något slag."

Sugkoppsprestanda

De konstgjorda sugskivorna som forskare utvecklade kunde hålla fast vid grova ytor, som grova sandpapper, och till mycket varierande ytor, från stenar till grönsaker, både i och utanför vattnet. Forskare visade också att deras enheter kunde plocka upp allt från körsbär och jordgubbar utan att krossa dem, att utarbeta snäckskal och vaser.

"Många limanordningar fäster bra endast på antingen en torr eller en våt yta och har svårigheter med grova ytor, " sa studiemedförfattare Mike Tolley, en robotexpert och professor vid Jacobs School of Engineering vid UC San Diego. "Våra enheter kan göra allt."

Enheterna kan hålla fast ett tungt föremål i över sex timmar, som forskare tror skulle kunna utökas till längre tidsperioder. Dessutom, dessa klingfiskinspirerade sugskivor har ett imponerande grepp med tanke på deras storlek:en sugskiva kan bära upp till 350 gånger sin egen vikt medan den hänger i luften.

Forskarna utrustade till och med armen på ett fjärrstyrt fordon (ROV) med en av sina enheter och visade att den kunde manipulera ett rått ägg utan att gå sönder det.

"Denna specifika ROV-applikation är av särskilt intresse för mig, sade Sandoval, som är en djuphavs-ROV-pilot förutom att vara en Ph.D. studerande. "Medan jag piloterar ROV:er, Jag använder undervattensmanipulatorer för att återvinna ömtåliga prover från havsbotten. Jag önskar ofta att jag hade ett verktyg för känsligt grepp för att komplettera det kraftfulla greppet i manipulatorns metalliska käftar. Mitt arbete i det djupa havet var en verklig motivation bakom att söka till naturen för inspiration för vidhäftning."

Experiment och analys

Klingfisken samlades in vid tidvattenpoolerna strax norr om Ellen Browning Scripps Pier. En del av Scripps Coastal Marine Reserve, forskare vid UC San Diego kan förvärva licenser för att samla in organismer för vetenskapliga ändamål från detta område, vilket gör det till en unik tillgång för universitetet.

Medan du bygger lingfisk-inspirerade sugskivor, teamet experimenterade också med att efterlikna klinfiskens mikroskopiska fibrer genom att belägga fotavtrycket på den konstgjorda sugskivan med ett lager mikroskopiska pelare gjorda av silikon. Intressant, de fann att de enklare konstruktionerna som bara bestod av ett tjockt lager silikon presterade bättre än konstruktioner med mikroskopiska pelare.

Det tvärvetenskapliga teamet analyserade prestandan hos de klinfiskinspirerade konstgjorda sugskivorna. Forskarna karakteriserade ytkontakten av skivornas fotavtryck för att se hur de interagerar med en yta. De försökte förstå den underliggande energin genom att använda Finite Element Analysis för att modellera processen för deformation av sugskivorna. De utförde även tester av vidhäftningshållfasthet på olika ytkrökningar och olika ytjämnheter, allt från slät akryl till grovt sandpapper. De testade mängden kraft som behövs för att fästa skivan på en yta, beroende på ytjämnhet. De fann att mycket liten kraft behövdes för att fästa skivorna på en yta, vilket förklarar enheternas förmåga att hantera ömtåliga föremål.