Американские ученые разработали новый, более простой метод создания искусственных аналогов лапки геккона, способных прилипать к различным поверхностям. Они предложили внедрять в частично застывший полимер металлические пластины, а затем вытягивать их обратно, из-за чего полимер формирует пластинки, отвечающие за сильное сцепление с поверхностями.

Испытания показали, что созданные таким методом адгезионные площадки позволяют увеличить сцепление в 40 раз с помощью их сдвига относительно поверхности, рассказывают авторы статьи в ACS Applied Materials & Interfaces.

Ученые и инженеры часто заимствуют успешные конструкции или материалы из природы, и одними из самых известных примеров этого являются лапки гекконов. Их поверхность покрыта множеством плоских волосков и пластинок. При контакте с относительно ровной поверхностью, например, листом растения, эти волоски плотно прилегают к ней, из-за чего между волосками и поверхностью возникает сильное притяжение, основанное на силе Ван-дер-Ваальса. У гекконов суммарная сила притяжения лап к гладкой поверхности на несколько порядков превышает минимально необходимую для удержания, но более интересно то, что они могут легко поднимать их с поверхности, управляя углом наклона волосков.

Ученые уже умеют создавать аналогичные искусственные устройства, в основном основанные на массивах тонких пластинок, и существуют даже серийные промышленные манипуляторы для гладких объектов, работающие на этом принципе. Но применяемые методы для создания таких адгезионных поверхностей основаны на отливке полимера в форму с множеством очень тонких углублений, которую приходится изготавливать с помощью фотолитографии.

Ким Чжэ-Ган (Jae-Kang Kim) и Майкл Уоренберг (Michael Varenberg) из Технологического института Джорджии разработали более простой метод, не требующий изготавливать сложную форму для отливки.

Для производства адгезионной пленки новым методом подходит простая форма с прямоугольным сечением, в которую необходимо залить двухкомпонентный полимерный прекурсор, который затем через некоторое время застывает и превращается в полиуретан или поливинилсилоксан (исследователи создавали образцы, состоящие из одного из этих полимеров, чтобы сравнить свойства и выбрать лучший материал).

В жидкую заготовку из прекурсора в форме ученые вставляли массив из множества стальных лабораторных ножей. Они имеют разную толщину, 229 и 76 микрометров, а также разные торцы: V-образные и U-образные. Через определенное время массив ножей поднимается на небольшое расстояние.

На основе экспериментальных данных ученые тщательно подбирали время подъема для каждого полимера и конфигурации массива ножей: полимер должен достичь достаточной вязкости, чтобы подняться вместе с ножами, но не слишком большой, при которой он может разорваться при подъеме.

Схема создания адгезионных пленок и снимки их различных конфигурация / Jae-Kang Kim, Michael Varenberg / ACS Applied Materials & Interfaces, 2020

После того, как массив ножей поднят, они остаются в таком положении до момента, когда полимер полностью застывает, и их можно поднять без опасения, что полимерные пластинки разорвутся. В результате образуется полимерная подложка, из которой выступают тонкие пластинки. Меняя материалы, толщину ножей и их торец (V- или U-образный), ученые получили более десяти различных конфигураций.

Исследователи собрали простой захват на основе тисков с двумя пластинами, которые можно сдвигать или раздвигать с небольшим шагом, поворачивая винт. На эти пластины ученые закрепляли полученные ими пленки. Для захвата предмета необходимо повернуть винт и тем самым сдвинуть пленки. Из-за этого полимерные микропластинки переходят из вертикального положения в почти горизонтальное и площадь поверхности значительно увеличивается, а это приводит к возникновению скрепляющей силы Ван-дер-Ваальса.

Эксперименты показали, что у пленок из поливинилсилоксана при смещении сила адгезии с гладкой поверхностью увеличивается в 40 раз и составляет до 15,5 миллиньютона, в зависимости от конфигурации.

Авторы наглядно показали работу захватов двух типов на бытовых предметах. В опубликованном ими видео можно видеть, как захват поднимает и удерживает смартфон или еду: яйцо, томат или лимон.