держаться и отпускать · держаться и отпускать

отпускать ·
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
Волосатые пауки, карабкающиеся на стены: То, что на большинство людей нагоняет страх, очаровывает ученого Станислава Горба из
университета Киль и его сотрудников в институте Макса Планка по исследованиям металлов в Штутгарте. После долгих лет исследований
механизмов сцепления у различных живых существ, они составили каталог геометрических принципов, отвечающих за особо хорошее
сцепление на различных субстратах. Эти принципы служат в качестве указателя при разработке новой липкой пленки и других
поверхностей с особыми характеристиками сцепления и трения. → JB
Волоски с
неограниченным
сцеплением
Профессор, д-р
Станислав Горб
Зоологический институт,
университет Киль, Германия
Человек всегда находится под
впечатлением от необычных
возможностей передвижения живых
существ, в особенности тогда, когда сам
такого сделать не может. Примером
является ходьба по стенам и потолкам.
Пауки без труда взбираются по гладким,
вертикальным стенам и продолжают свою
прогулку даже на потолке. Этой
замечательной способностью они, а также
насекомые и гекконы, обладают
благодаря необычайно тонким волоскам.
Лапки пауков и насекомых дополнительно
имеют тонкие крючковатые когти,
которые сцепляются с шероховатыми
поверхностями.
Согласно имеющимся исследованиям, насекомые полагаются
исключительно на свои микроволоски c формой
оптимизированной для различных поверхностей. Особенно
хорошим сцеплением обладают волоски, имеющие расширение
в форме лопатки или гриба. В том время как принцип
приклеивания и крючков уже давно технически реализован в
изоляционной ленте на основе синтетической пленки и замкахлипучках, пленка с микроволосками до сих пор не появляется в
нашей повседневной жизни.
Интересно что простого объяснения этого механизма не
существует. Скорее всего речь идет о комбинации
микроструктурных и наноструктурных поверхностей,
вязкоупругих материалах, двухфазных жидкостях и их системах
транспортировки, а также о самом виде движения. Некоторые из
этих свойств, с физической точки зрения, являются
тривиальными, другие же напротив крайне сложны и для их
прояснения
необходимо
проводить
дополнительные
экспериментальные исследования и теоретические рассчеты.
Наряду с системами сцепления, необходимыми для передвижения
вперед, есть огромное количество систем сцепления,
выполняющих другие функции.
Кустистый пучок волосков (скопула) на кончике лапки паука
Clubiona caerulescens
Полосатый птицеед (Aphonopelma
seemanni).
Фотография: Зента Нидереггер
Кончик сцепляющегося волоска паука Cupiennius salei.
Видны тонкие ответвления с кончиками в форме лопатки.
20
■
01/09
отпускат
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
· держ
> Профессор, д-р Станислав Горб родился в 1965 г. в Алексеевке (Украина). В Киеве в 1982–89 гг. он изучал биологию и в 1991 году получил степень
кандидата биологических наук и в 2002 степень доктора биологических наук по зоологии и энтомологии в институте имени Шмальгаузена в Украинской академии наук
в Киеве. В 2006 в институте зоологии университета Фрейбург он подтвердил докторскую диссертацию по зоологии по теме „Attachment devices in insects“. Станислав
Горб был аучным сотрудником (PostDoc) в Венском университете (Австрия), младшим научным сотрудником в университете г. Йена, в институте имени Макса Планка
биологии развития в Тюбингене, а также приглашенным профессором в Вашингтонском университете (США) и в Университете космонавтики и летной техники в г.
Нанкин (Китай). Основные направления исследования Горба заключались в морфологии, структуре, биомеханике, физиологии и эволюции функциональных систем
поверхностей животных и растений, а также в разработке бионических систем технологических поверхностей и систем. В 1995 году он получил премию Шлосманна по
биологии и материаловедению. С помощью своих работ по биологическим механизмам сцепления в качестве возможных бионических прототипов в 1998 году он
победил в конкурсе BioFuture. Горб является автором трех книг, например, о механизмах прилипания кутикулы насекомых (Attachment Devices of Insect Cuticle) и
биологической микротрибологии и нанотрибологии (Biological Micro- and Nanotribology). Он опубликовал более 100 научных работ в известных, признанных экспертами
журналах и является совладельцем трех патентов. . . → JB
01/09
■
21
Геккон на стеклянной стене
Гекконы могут приставать практически к любому
основанию, даже без клейкого вещества.
Как они это делают?
Невооруженным взглядом на пальцах стопы видны
только шерстистые пластинки. Под микроскопом
можно увидеть крохотные волоски размером
200 нанометров.
22
■
01/09
01/09
■
23
отпускать ·
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
Свойства
Размер и плотность
Отношение длины
Функция
Эффект
Упругость
к ширине Наклон
Иерархия
Увеличение
размера зоны
контакта
Адаптивность
к профилю поверхности
Контактная поверхность
Запасание
эластичной энергии
Асимметрия
Скользящее движение
мягче
Градиент материала
Уменьшающие
сцепление
наноструктуры
Предотвращение
загрязнения
Увеличение
адгезии
Предотвращение
склеивания между
волосками
Некоторые принципы (свойства), по которым работают биологические реверсивные системы сцепления, и их связь
со специфическими функциями.
Результирующий эффект, необходимый для создания сильного сцепления, показан с правой стороны. Стрелки показывают
улучшение или ухудшение функции при использовании определенного геометрического принципа. Одновременная
реализация всех этих принципов в одной искусственной системе была бы крайне важной, но это маловозможно. Тем не
менее, в зависимости от требований к определенному материалу или системе, основывающихся на принципах заимствованных
из биологического мира, может реализовываться один принцип или комбинация нескольких таких принципов.
Благодаря новым возможностям экспериментальных
технологий, высокоскоростной видеозаписи, измерений сил и
современных микроскопических техник, за прошедшие десять
лет значительно вырос интерес к биологическим системам
сцепления. Выяснилось, что биологические структуры сцепления
имеют важные свойства для исследований в областях эволюции
и экологии. Кроме того, в подробной информации о структурах
и механизмах сцепления спрятан большой потенциал для
применений в бионике.
Ученые в нашей исследовательской группе с поддержкой
промышленных партнеров впервые смогли успешно
воспроизвести некоторые функциональные принципы
микроволосков в искусственном материале для сцепления. Сила
сцепления биомиметической структуры основывается на
микроструктурах, которые формируются как крохотные грибы.
После исследования более 300 различных систем сцепления (см.
изображения) мы выбрали форму микроструктур, которая была
многократно описана из подошв самцов различных видов жуков.
Несколько квадратных сантиметров микроструктурного
материала удерживают на стеклянных стенах с гладкими
поверхностями предметы весом в несколько килограмм; на
потолке может удерживаться вес примерно в 10 раз меньше.
Гладкие структуры, такие как стекло или полированная
древесина, хорошо подходят в качестве основания для таких
клейких лент, волокнистые обои - практически нет. Даже
насекомым трудно передвигаться по поверхностям с небольшой
шероховатостью, это основная проблема механизма сцепления.
После снятия материал не оставляет на поверхности видимых
следов и снова прилипает после того, как он сотни раз был
приклеен и снят. Если материал загрязнен, то в
противоположность клейким лентам его можно даже мыть, при
этом он не теряет свою силу сцепления. Этот
микроструктурированный материал помимо прочего можно
использовать в качестве защитной пленки для чувствительного
стекла или просто в качестве клейкой ленты с повторным
использованием. Прощайте, магниты на холодильник: сейчас
Сделанный с помощью микроскопа снимок бионической
структуры поверхности синтетического сцепляющегося
материала. Материал (охра) в момент прилипания к стеклу
(синий).
Вид сверху кончика лапки у мухи Musca domestica.
Видны лоскутообразные дольки (подушечки) и когти
24
появляются микроволоски, которые помимо прочего держаться
на зеркале, шкафу или стекле! Даже в динамических процессах
материал подтвердил свою пригодность: робот весом 120 грамм
с искусственным материалом для сцепления на подошве смог
забраться на вертикальную стеклянную стену.
При изготовлении – как и при выпекании пирога – в качестве
образца служит форма, в которую по аналогии с негативом
заливается полимеризирующая смесь. После затвердевания
синтетический материал достается из формы. Конструкция
микроструктурной готовой формы доставила немало трудностей.
Но и для оптимизации полимерной смеси потребовалось немало
терпения: Если она жидкая, она просто вытекает из формы.
Если она вязкая, она даже не заходит в форму. В настоящее
время предпринимается большое количество попыток
улучшения полимерной смеси. Ученые стремятся сделать
структуры более тонкими и позаботиться о том, чтобы материал
обладал сцеплением даже под водой или мог прикрепляться при
движении в одном направлении. У рабочей группы еще очень
много работы по изучению свойств пленки в различных условиях
(например, влажность воздуха, шероховатость субстрата,
поведение на грязных и жирных поверхностях, поведение на
грязных и жирных поверхностях циклов сцепления и пр.).
■
01/09
отпуска
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
рж
де
·
ать
уск
отп
и
ся
ать
· держ
Farbprofil: Deaktiviert
Komposit Standardbildschirm
Более подробную информацию о
какой-либо линии нашей продукции
можно найти в нашем бесплатном
каталоге или по адресу в Интернете
100
95
100
95
75
75
25
25
5
5
0
0
Инновационные температурные технологии
для высокоточного терморегулирования для диапазона
температур от –95 °C to +400 °C в лабораторных и
промышленных условиях применения
Программа JULABO
• Тепловые погружные термостаты-циркуляторы
• Открытые тепловые термостаты-циркуляторы
для ванн
• Охлаждаемые/тепловые термостаты-циркуляторы
• Сверхнизкие охлаждаемые
термостаты-циркуляторы
• Ванны Visco и калибровочные ванны
• Высокодинамичные системы терморегулирования
• Регуляторы температуры,
программаторы температуры
• Рециркуляционные охладители /
холодильные установки
• Иммерсионные / проточные охладители
• Водяные ванны и встряхивающие водяные ванны
Клейкие волоски самца колорадского жука Leptinotarsa decemlineata
С помощью адгезионных волосков с
грибовидной головкой в настоящее время
реализован материал, основывающийся на
механизме,
позволяющий
насекомым
удерживаться на поверхностях. Но техника
сцепления насекомых явно отличается от
искусственной техники сцепления: насекомые,
пауки и гекконы при желании могут выбирать
методы сцепления и соединения, в зависимости
от того, по какому основанию они идут. В
сотрудничестве с группой роботостроителей
под руководством профессора д-ра Роджера
Квинна (Case Western Reserve University,
Cleveland, OH, США) и фирмой Tetra GmbH
(Ильменау) такие принципы реализуются в
лазающих роботах. Многое еще предстоит
сделать.
Полученныеприисследованияхбиологических
объектов результаты ясно дают понять ученым
необходимость
соединения
неотъемлемых
характеристик материала с геометрией контакт­
ируемой поверхности. Эффективность естестве­
нных систем не может быть применена "один к
одному", но некоторые концепции можно
перенести в мир материалов для того, чтобы
создать поверхности с определенными характе­
ристиками и функциями, которые можно
наблюдать в биологических системах. Мы
полагаем, что огромное количество биологических
механизмов сцепления постоянно будут побуждать
материаловедов и инженеров к созданию новых
материалов и систем. Поэтому широко
распространенные сравнительные функцио­
нальные исследования биологических поверх­
ностей должны стать более интенсивными, это
поможет лучше познать основные структурные,
химические и механические принципы, кроящиеся
за функциями. Использование объектов живой
природы в качестве бесконечного источника
вдохновения при создании технических систем
может также рассматриваться как еще одна
причина
поддержания
биологического
разнообразия.
Эту работу как часть программы EUROCORES FANAS
Европейского научной организации поддерживали средства
Немецкого центрального органа содействия исследованиям
DFG (контракт № GO 995/4-1) и программы EC Sixt
Framework (контракт № ERAS-CT-2003-980409), а также
Новинка
Новинка
Клейкие волоски мухи Calliphora vicina
проекта Biona Федерального министерства образования и
исследований (BMBF Biona 01 RB 0802A).
Дополнительная литература
Книги
S.N. Gorb (2001) Attachment devices of insect cuticle.
Dordrecht: Springer.
M. Scherge and S. N. Gorb (2001) Biological micro- and
nanotribology. Berlin: Springer.
S.N. Gorb, editor (2009) Functional surfaces in biology.
Dordrecht: Springer.
Статьи
S.N. Gorb, editor (2006) Functional surfaces in biology.
mechanisms and applications. В: Biomimetics Biologically
Inspired Technologies, edited by Y. Bar-Cohen, Boca Raton:
CRC Press, p. 381-397.
S.N. Gorb, M. Varenberg, A. Peressadko and J. Tuma (2007)
Biomimetic
mushroom-shaped
fibrillar
adhesive
microstructure. J. R. Soc. Interface 4: 271-275.
S.N. Gorb, M. Sinha, A. Peressadko, K.A. Daltorio and R.D.
Quinn (2007) Insects did it first: a micropatterned adhesive
tape for robotic applications. Bioinspiration and Biomimetics
2: 117-125.
S.N. Gorb and M. Varenberg (2007) Mushroom-shaped
geometry of contact elements in biological adhesive systems.
J. Adhesion Sci. Technol. 21: 1175-1183.
M. Varenberg and S. Gorb (2008) Close-up of mushroomshaped fibrillar adhesive microstructure: contact element
behaviour. J. R. Soc. Interface 5: 785-789.
→ sgorb@zoologie.uni-kiel.de
100
100
95
95
75
75
25
25
5
JULABO Labortechnik GmbH
77960 Seelbach / Германия
Телефон +49 7823 51-0 • Факс +49 7823 2491
info@julabo.de • www.julabo.de
0
01/09
■
25
07-012-JGMBH-R-132x406mm
5
0