Секреты стеклолаза

Фотография лапы геккона, на которой видны волоски-щетинки. Источник: Bjorn Christian Torrissen

Американские физики нашли «выключатель» суперлипкости в лапах ящериц-гекконов

Александр Телишев

12 августа, 2014 21:00

5 мин

Способность гекконов не только прилипать к поверхности стекла и других крайне скользких поверхностей, но и быстро взбираться или бежать по ним, объясняется наличием особых волосков на их лапах, от положения которых зависит то, будет ли их поверхность суперлипкой или нет. Описание механизма их действия и возможные практические перспективы для применения этого открытия описаны в статье, опубликованной в Journal of Applied Physics.

Визитной карточкой гекконов считаются их необыкновенно липучие лапы, позволяющие рептилиям цепляться за совершенно гладкие материалы. Эти ящерицы — живое подобие Человека-паука. Благодаря микроскопическим волоскам на лапах, конечности рептилий прилипают к другим материалам под действием так называемых сил Ван-дер-Ваальса, которые проявляются в виде взаимного притяжения атомов во время их сближения. Это свойство лап гекконов было успешно использовано химиками и инженерами для создания сверхлипкого скотча и целого набора суперклеев.

«Со времен древних греков, люди всегда пытались понять то, как гекконам удается прилипать к стенам. Даже сам Архимед бился над этой проблемой. И только относительно недавно, в 2000 году, американский физик Келлар Отем и его коллеги смогли однозначно продемонстрировать, что гекконы цепляются почти за все виды поверхности при помощи сил Ван-дер-Ваальса», — рассказывает ведущий автор статьи Алекс Грини из университета штата Орегон в городе Корваллис.

С момента публикации открытий группы Отема в журнале Nature в 2000 году и последующих наблюдений за ящерицами, ученые до сих пор не могли раскрыть ключевую деталь механизма «стеклолазания» гекконов — то, как они отрывают свои ноги от поверхности и заново приклеиваются к ней во время движения. Не зная ответ на этот вопрос, ученые не могут создать сверхлипкие перчатки и ботинки для скалолазания, имитирующие лапы ящерицы, или другие высокотехнологичные гаджеты.

Грини и его коллеги выяснили, как конечности гекконов переходят в режим «сверхлипкости» и выключают его, проследив за работой волосков-щетинок на лапах ящерицы, которые и порождают силы Ван-дер-Ваальса при касании стекла или других поверхностей. На пальцах ног рептилии присутствует около миллиона таких волосков, которые в сумме вырабатывают примерно в 50 раз больше сцепляющей силы, чем требуется для удержания тела ящерицы на весу.

Волоски-щетинки на лапах геккона крупным планом. Источник: Oregon State University

Авторы статьи приобрели нескольких рептилий, посадили их в прозрачные террариумы и начали всесторонние наблюдения за их лапами при помощи высокоскоростных видео- и фотокамер, микроскопов и других инструментов. Наблюдения помогли исследователям понять, как меняется форма и положение щетинок во время отрыва лапы от поверхности, вычислить давление, которое они испытывают, а также количество энергии, которое ящерица тратит на один шаг. Эти данные помогли физикам создать первую полноценную компьютерную модель лапы геккона.

«Используя математическую модель, нам удалось найти очень простой, но при этом чрезвычайно остроумный механизм, который позволяет гекконам переключать режимы липкости в их лапах. Оказалось, что в состоянии покоя конечности ящерицы не прилипают — они приобретают свою цепкость в тот момент, когда рептилия касается поверхности стены и очень осторожно приподнимает лапы и чуть-чуть дергает их вниз. Таким образом, механизм приклеивания гекконов к поверхности является своеобразным антиподом трения», — поясняет Грини.

В этом процессе, как отмечают физики, участвуют не только волоски, но и вся лапа животного. К примеру, мускулы пальцев и ног наклоняют щетинки под таким углом к поверхности, при котором они будут одновременно максимально сцеплены с ней и при этом их «отклеивание» будет требовать минимального приложения энергии. Благодаря этому лапы геккона переключаются между режимами практически мгновенно, что позволяет ящерице за секунду преодолевать такое расстояние, которое примерно равняется 20 длинам ее тела.

«Одна из действительно крутых вещей, которые мы открыли — волоски на лапах гекконов могут поглощать и выделять большое количество энергии. По этой причине клейкое соединение между конечностью рептилии и поверхностью относится к числу так называемых "жестких склеек", что позволяет гекконам цепляться за поверхность во время прыжков или падений, а также резко разворачиваться и убегать в противоположную сторону во время атак хищников», — продолжает ученый.

Как считают авторы статьи, их открытие в первую очередь заинтересует химиков, занятых разработкой клейких материалов, а также инженеров-робототехников, которые разрабатывают роботов-спасателей для поиска людей в завалах после землетрясений.

«Мы пока не пытаемся создать шпионские перчатки на базе "кожи геккона", подобные тем, которые использовал Итан Хант, герой фильмов Mission Impossible. Тем не менее мы вполне допускаем возможность того, что роботы будут использовать подобный механизм для передвижения в экстремальных условиях уже в ближайшие годы», — заключает Грини.

ТЕГИ

поддержать проект

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

Маленькая чашка кофе