Синтетические щетинки - Synthetic setae

Stickybot, скалолазный робот, использующий синтетические щетинки^[1]

Синтетические щетинки подражать щетинки найдено на пальцы геккона и научные исследования в этой области направлены на развитие сухие клеи. 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 волос разделены на наноразмерные структуры, называемые шпатели (из-за их сходства с реальными шпатели ). Большое количество и близость к поверхности этих шпателей делают его достаточным для силы Ван дер Ваальса в одиночку для обеспечения необходимого клей сила.^[2] После открытия в 2002 году механизма адгезии геккона, который основан на силах Ван-дер-Ваальса, биомиметические клеи стали предметом крупных исследований. Эти разработки могут привести к появлению целых семейств новых клеящих материалов с превосходными свойствами, которые, вероятно, найдут применение в самых разных отраслях, 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 Тефлон^[3]). 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

Две передние ноги токайский геккон выдерживает силу 20,1 Н, параллельную поверхности, с толщиной 227 мм² площади площадки,^[4] сила, в 40 раз превышающая 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, электростатика, микроблокировка и межмолекулярные силы. 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 способности гекконов на перевернутых поверхностях. Гипотеза о том, что подушечки пальцев ног действуют как присоски, была опровергнута 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 микровзаимодействия, предполагавший, что изогнутые концы щетинки могли действовать как микромасштабные крючки, также возникла проблема с тем фактом, что гекконы генерируют большие силы сцепления даже на молекулярно гладких поверхностях.

Микро и нано вид пальца геккона^[5]

Возможности окончательно сузились до межмолекулярных сил, и развитие электронов микроскопия в 1950-х годах, что выявило микроструктуру щетинки 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.^[6] Они показали, что нижняя сторона пальца геккона обычно несет серию гребней, которые покрыты однородными рядами щетинок, и каждая щетинка далее делится на сотни секущихся концов и плоских кончиков, называемых шпатели (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.^[5] Сцепление между лапой геккона и поверхностями - это как раз результат Сила Ван-дер-Ваальса между каждой щетинкой и поверхностными молекулами. Одна щетинка может генерировать до 200${ displaystyle mu}$N силы^[7] На ступне геккона токайского геккона приходится около 14 400 щетинок на квадратный миллиметр, что приводит к общему количеству около 3 268 800 щетинок на двух передних лапах геккона. Из уравнения для межмолекулярного потенциала:

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

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

Мы обнаружили, что межмолекулярная сила, или сила Ван-дер-Ваальса в данном 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^[5]

Механизм подъема

Удивительно большие силы, создаваемые пальцами ног геккона^[8] поднял вопрос о том, как гекконам удается поднять ноги так быстро - всего за 15 миллисекунд - без каких-либо измеримых сил отрыва. Келлар Отем и его исследовательская группа обнаружили 'Механизм отрыва' 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, поскольку увеличивающееся 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 вертикальные поверхности.

Модель, объясняющая способность к самоочистке^[9]

Келлар Отем и его исследовательская группа провели эксперименты, чтобы проверить и продемонстрировать эту способность геккона.^[9] Они также используют контактно-механическую модель, чтобы предположить, что самоочищение происходит за счет энергетического неравновесия между адгезионными силами, притягивающими частицу грязи к субстрату, 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 N шпателей, частицы грязи и плоской стены.

Важно знать, что это свойство самоочищения является присущим сетальной наноструктуре и поэтому 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.^[10]

Открытия лап геккона привели 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, используя наноструктуры. Действительно, интерес и новые открытия в адгезивах гекконового типа стремительно растут, о чем свидетельствует растущее количество статей, публикуемых по этой теме.^[10] однако синтетические щетинки все еще находятся на очень ранней стадии.

Эффектный дизайн

Эффективный дизайн адгезивов гекколи потребует глубокого понимания принципов, лежащих в основе свойств, наблюдаемых в естественной системе. Эти свойства, принципы и соответствующие параметры клеевой системы gecko показаны в следующей таблице.^[11] Эта таблица также дает нам представление о том, как ученые переводят эти полезные свойства щетинок геккона (как показано в первом столбце) в параметры, которые они действительно могут контролировать и создавать (как показано в третьем столбце).

* JKR относится к модели адгезии Джонсона, Кендалла, Робертса.^[12]

Таким образом, основные параметры 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:

${ displaystyle mu ^ {'} = F_ {адгезия} / F_ ​​{предварительная нагрузка}}$

куда ${ displaystyle F_ {preload}}$ - приложенная сила предварительного натяга, а ${ displaystyle F_ {адгезия}}$ - создаваемая сила адгезии. Коэффициент адгезии настоящих щетинок геккона обычно составляет 8 ~ 16.

Материалы

В первых проявлениях синтетических щетинок полимеры подобно полиимид, полипропилен и полидиметилсилоксан (PDMS) часто используются, поскольку они гибкие и легко производимые. Позже, по мере быстрого развития нанотехнологий, Углеродные нанотрубки (CNT) предпочитают большинство исследовательских групп и используются 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

Номер МЭМС /NEMS методы изготовления применяются для изготовления синтетических щетинок, которые включают 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. Из этих примеров мы также можем получить представление о развитии этой биомиметической технологии за последние несколько лет.

Лента Gecko

Микро вид лента геккона^[13]

"Человек-паук тест »из ленты gecko^[13]

Этот пример - одна из первых разработок синтетических щетинок, которая возникла в результате сотрудничества между Манчестерский центр мезонауки и нанотехнологий, и Институт технологии микроэлектроники в России. Работа началась в 2001 году, а через 2 года результаты были опубликованы в Nature Materials.^[13]

Группа подготовила гибкие волокна полиимида в виде синтетических щетинок на поверхности 5.${ displaystyle mu}$м из того же материала с использованием электронно-лучевой литографии и сухого травления в кислородной плазме. Волокна были 2${ displaystyle mu}$м длиной, диаметром около 500 нм и периодичностью 1,6${ displaystyle mu}$м и занимала площадь примерно 1 см² (см. рисунок слева). Первоначально команда использовала кремниевая пластина в качестве основы, но было обнаружено, что адгезионная способность ленты увеличилась почти в 1000 раз, если они использовали мягкую склеивающую основу, такую ​​как скотч - это потому, что гибкая основа дает гораздо более высокое соотношение количества щетинок, контактирующих с поверхностью, по сравнению с общее количество 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 с площадью контакта около 0,5 см² со стеклом выдерживал 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

Микро-вид "Волосы из синтетических нанотрубок для ног геккона"

По мере развития нанонауки и нанотехнологий все больше проектов связаны с применением нанотехнологий, особенно с использованием углеродные нанотрубки (CNT). В 2005 г. исследователи из Университет Акрона и Политехнический институт Ренсселера в США создали синтетические структуры щетинок путем нанесения многослойных УНТ методом химического осаждения из газовой фазы на кварцевые и кремниевые подложки.^[14]

Нанотрубки обычно имели диаметр 10–20 нм и около 65 мкм в диаметре.${ displaystyle mu}$м длиной. Затем группа инкапсулировала вертикально ориентированные нанотрубки в полимер ПММА перед тем, как обнажить верхние 25${ displaystyle mu}$м трубок путем вытравливания части полимера. Нанотрубки имели тенденцию образовывать спутанные пучки диаметром около 50 нм из-за процесса сушки растворителем, используемого после травления. (Как показано на рисунке справа).

Результаты были проверены с помощью сканирующий зондовый микроскоп, и он показал, что минимальная сила на единицу площади составляет 1,6 ± 0,5 × 10⁻²нН / нм², что намного больше, чем величина, которую команда оценила для типичной силы сцепления щетинок геккона, которая составляла 10⁻⁴нН / нм². Поздние эксперименты^[15] с такими же структурами на скотч показали, что этот материал может выдерживать напряжение сдвига 36 Н / см.², почти в четыре раза выше лапы геккона. Это был первый случай, когда синтетические щетинки показали лучшие свойства, чем у натуральной лапы геккона. Более того, этот новый материал может склеивать более широкий спектр 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^[16]

Хотя большинство разработок касается сухой адгезии, группа исследователей изучала, как производные природных клеевых соединений из моллюски можно комбинировать со структурами типа геккона, чтобы получить клеи, работающие как в сухих, так и во влажных условиях.^[16]

Получившийся клей, названный «геккель», был описан как набор силиконовых столбиков шириной 400 нм, изготовленных из гекконов. электронно-лучевая литография и покрыт полимером, напоминающим мидии, синтетической формой аминокислота это происходит естественно в моллюски (оставили).^{[требуется разъяснение ]}.

В отличие от настоящего клея для гекконов, адгезионные свойства материала зависят от сил Ван-дер-Ваальса и от химического взаимодействия поверхности с клеем. гидроксильные группы в белке мидий. Материал улучшает адгезию во влажной среде в 15 раз по сравнению с массивами стоек без покрытия. Так называемая лента «geckel» выдерживает 1000 циклов контакта и отсоединения, прочно прилипая как во влажной, так и в сухой среде.

Пока материал протестирован на нитрид кремния, оксид титана и золото, все из которых 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 прилипают к живой ткани.^[16]

Геккель - это клей которые могут 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».^[17]

Команда черпала вдохновение из гекконы, которые могут поддерживать вес, в сотни раз превышающий их собственный. Гекконы опираются на миллиарды волосовидных структур, известных как щетинки придерживаться. Исследователи объединили эту способность с липкостью мидий. Испытания показали, что «материал мог заклеиваться и отклеиваться более 1000 раз, даже при использовании под водой», при этом сохранялось 85 процентов их адгезионной прочности.^[18][19][20]

Филип Мессерсмит, ведущий исследователь в группе, 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.^[17]

Коммерческое производство

Для коммерческого производства этих клеев потребуются автоматизированные крупносерийные технологии производства, которые изучались несколькими исследовательскими группами. Группа под руководством Метина Ситти из Университета Карнеги-Меллона изучала^{[когда? ]} ряд различных методов, в том числе глубокое реактивное ионное травление (DRIE), которое успешно использовалось для изготовления решеток из полимерных волокон грибовидной формы, процессы микролитья, прямая самосборка и фотолитография.^{[нужна цитата ]}

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, в том числе покрытой грязью, и было измерено сопротивление отрыву 3000 кг / м².^{[нужна цитата ]} Совсем недавно компания использовала ту же технику для создания узорчатых силиконовых форм для производства материала и заменила полиимид полидиметилсилоксаном (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.^{[нужна цитата ]}

В 2019 году исследователи из Акрон Эскент Инновации, ООО, компания выросла из Университет Акрона технологии, объявила о коммерческой доступности "ShearGrip фирменные сухие клеи.^[21] Вместо того, чтобы полагаться на фотолитографию или другие стратегии микропроизводства, исследователи использовали электроспиннинг для производства волокон небольшого диаметра на основе принципа контактного разделения, 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 односторонних или двусторонних конструкциях.^[22] Утверждается, что этот подход более масштабируем, чем другие стратегии производства синтетических щетинок, и использовался для производства продуктов для потребительских рынков под торговой маркой. Без штифта.

Приложения

Синтетические щетинки, также известные как «лента геккона», находят широкое применение: от нанотехнологий и использования в военных целях до здравоохранения и спорта.

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 созданием 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, обеспечивающие соответствующие адгезионные и фрикционные свойства для облегчения необходимых взаимодействий с поверхностями.

Поскольку прогресс продолжается в робототехника на ногах, 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.^[23]

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 военных целях 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.^[24][25]

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,^[26] который поднялся под углом до 60 °.

Эндопротезирование

Клеи на основе синтетических щетинок были предложены как средство захвата, перемещения и выравнивания тонких деталей, таких как сверхминиатюрные схемы, нановолокна и наночастицы, микросенсоры и микродвигатели. В макромасштабе 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.^{[нужна цитата ]}

Рекомендации

внешняя ссылка

• Проф. Келлар Отемен Осенняя лаборатория в колледже Льюиса и Кларка
• Веб-сайт проекта RiSE