Человек-ящерица

Том Круз на съемках фильма «Миссия невыполнима: Протокол Фантом». Источник: Paramount Pictures

Ученые разработали присоски, позволяющие человеку взбираться по гладким отвесным стенам

Артем Асташенков

19 ноября, 2014 12:53

5 мин

Исследователи из Стэнфордского университета продемонстрировали модель альпинистской системы, благодаря которой человек может легко карабкаться по стеклу и другим гладким вертикальным поверхностям. Конструкция присосок, повторяющих природное приспособление ящериц-гекконов, описана в работе, опубликованной Journal of the Royal Society Interface 19 ноября.

Слово «присоска» к разработке стэнфордских ученых можно применить лишь условно: принцип, благодаря которому автор идеи, инженер Эллиот Хоукс, карабкается по зеркальному стеклу в демонстрационном видео, к вакууму и разнице давления воздуха отношения не имеет. Исследователям удалось повторить в человеческих масштабах механизм прилипания геккона.

Способность гекконов клеиться практически к любой поверхности, в любой среде и под любым углом озадачивала ученых веками. Только в 2002 году группа американских исследователей из Стэнфорда и Калифорнийского университета смогла установить природу этого необычного умения. Оказалось, что тропические ящерицы могут ходить по стенам и потолку благодаря силам Ван-дер-Ваальса — слабому взаимодействию между молекулами и атомами.

Притяжение между поверхностью и пальцами гекконов возникает благодаря особому устройству последних. Каждый палец ящерицы покрыт специальными пластинками — ламеллами. На каждой находятся особые щетинки диаметром около пяти микрометров — они тоньше человеческого волоса примерно в 3–30 раз. На квадратный миллиметр поверхности лапы геккона приходится около 14 тысяч щетинок. Каждая заканчивается сотней, а то и тысячей «лопаток» — уплощенных участков длиной не более 0,2 микрометра. Таким образом, сотни миллионов микроскопических окончаний вступают в слабое взаимодействие с материалом стены или потолка, на которых висит животное.

Теоретически взрослый геккон должен быть способен удерживать на весу более 130 килограммов. На практике предел его возможностей — около двух килограммов, что, впрочем, не так уж мало для 70-граммовой особи. Когда американские ученые разобрались в принципе работы «присосок» ящериц, многочисленные исследовательские группы стали разрабатывать искусственные материалы, которые повторяли бы этот эффект. Первая «гекконовая клейкая лента» появилась уже в 2003 году, и с тех пор инженеры представили множество вариантов технологии.

Фото: Mary Schwalm / AP

Используя различные материалы — силикон, пластик, углеродные нанотрубки — ученые добивались разных результатов. Одним удалось создать многоразовую клейкую поверхность, другим — самоочищающуюся, как и настоящие пальцы геккона. В 2010 году стэнфордские инженеры даже показали робота-геккона, умеющего двигаться так же, как и его живой прототип. Одна проблема оставалась нерешенной до сих пор: искусственные «липучки» геккона не поддавались масштабированию. Простого увеличения площади контакта оказалось недостаточно, чтобы закрепить на стене или потолке тяжелый груз, вроде взрослого человека; тем более не удавалось обеспечить подвижность.

Отчасти виновато было неравномерное распределение нагрузки — по этой же причине и сами гекконы не реализуют свой потенциал в 130 килограммов. В зависимости от положения в пространстве и движения некоторые щетинки работают на пределе своих возможностей, другие — почти вхолостую, а третьи вообще не соприкасаются с поверхностью.

Группа ученых из Стэнфорда в своей работе описывает механические принципы, которые позволяют распределить нагрузку поровну на все участки поверхности присоски, что дает возможность тысячекратного масштабирования рабочей поверхности без потери уникальных свойств. Для демонстрации концепции они собрали две липучки площадью около 140 квадратных сантиметров. На каждой установлено по 24 пластины; те, в свою очередь, покрыты сотнями тысяч искусственных щетинок на основе силикона.

Липучки надеваются на руки, но специальными стержнями они жестко крепятся к обуви — так что, по сути, испытатель не висит, а стоит на подвешенной конструкции. Нагрузка равномерно распределяется между пластинами за счет системы пружин. Если вдруг один участок «липучки» откажет, груз моментально перераспределится.

Демонстрируя эту разработку, инженер Эллиот Хоук, весящий около 70 килограммов, поднялся по зеркальному стеклу на высоту 3,6 метра. В принципе, для «гекконовых липучек» это совсем не предел. Но пока что сохраняются существенные ограничения. Например, тип искусственных щетинок, примененный в эксперименте, пригоден только для чистых гладких поверхностей. Однако ничто не мешает заменить их на разработки других исследовательских групп. Все зависит от задачи, которая стоит перед конструкторами.

Применение разработки стэнфордских ученых не ограничивается промышленным альпинизмом. Пока их статья ждала публикации, системой заинтересовались в NASA. В аэрокосмическом агентстве разрабатывают робота, собирающего при помощи усовершенствованной «гекконовой липучки» космический мусор. Первые испытания в симуляции невесомости прошли удачно: экспериментальный дрон без проблем схватил 400-килограммового собрата за солнечную панель и отбуксировал в заданном направлении.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе