Inspiré par les pieds de Gecko, UMass Amherst scientifiques Inventer Super-matériau adhésif

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Inspired by Gecko Feet, UMass Amherst Scientists Invent Super-Adhesive Material

AMHERST, Mass. - For years, biologists have been amazed by the power of gecko feet, which let these 5-ounce lizards produce an adhesive force roughly equivalent to carrying nine pounds up a wall without slipping. Now, a team of polymer scientists and a biologist at the University of Massachusetts Amherst have discovered exactly how the gecko does it, leading them to invent "Geckskin," a device that can hold 700 pounds on a smooth wall.

Doctoral candidate Michael Bartlett in Alfred Crosby’s polymer science and engineering lab at UMass Amherst is the lead author of their article describing the discovery in the current online issue of Advanced Materials. The group includes biologist Duncan Irschick, a functional morphologist who has studied the gecko’s climbing and clinging abilities for over 20 years. Geckos are equally at home on vertical, slanted, even backward-tilting surfaces.

"Amazingly, gecko feet can be applied and disengaged with ease, and with no sticky residue remaining on the surface," Irschick says. These properties, high-capacity, reversibility and dry adhesion offer a tantalizing possibility for synthetic materials that can easily attach and detach heavy everyday objects such as televisions or computers to walls, as well as medical and industrial applications, among others, he and Crosby say.

This combination of properties at these scales has never been achieved before, the authors point out. Crosby says, "Our Geckskin device is about 16 inches square, about the size of an index card, and can hold a maximum force of about 700 pounds while adhering to a smooth surface such as glass."

Beyond its impressive sticking ability, the device can be released with negligible effort and reused many times with no loss of effectiveness. For example, it can be used to stick a 42-inch television to a wall, released with a gentle tug and restuck to another surface as many times as needed, leaving no residue.

Previous efforts to synthesize the tremendous adhesive power of gecko feet and pads were based on the qualities of microscopic hairs on their toes called setae, but efforts to translate them to larger scales were unsuccessful, in part because the complexity of the entire gecko foot was not taken into account. As Irschick explains, a gecko’s foot has several interacting elements, including tendons, bones and skin, that work together to produce easily reversible adhesion.

Now he, Bartlett, Crosby and the rest of the UMass Amherst team have unlocked the simple yet elegant secret of how it’s done, to create a device that can handle excessively large weights. Geckskin and its supporting theory demonstrate that setae are not required for gecko-like performance, Crosby points out. "It’s a concept that has not been considered in other design strategies and one that may open up new research avenues in gecko-like adhesion in the future."

The key innovation by Bartlett and colleagues was to create an integrated adhesive with a soft pad woven into a stiff fabric, which allows the pad to "drape" over a surface to maximize contact. Further, as in natural gecko feet, the skin is woven into a synthetic "tendon," yielding a design that plays a key role in maintaining stiffness and rotational freedom, the researchers explain.

Importantly, the Geckskin’s adhesive pad uses simple everyday materials such as polydimethylsiloxane (PDMS), which holds promise for developing an inexpensive, strong and durable dry adhesive.

The UMass Amherst researchers are continuing to improve their Geckskin design by drawing on lessons from the evolution of gecko feet, which show remarkable variation in anatomy. "Our design for Geckskin shows the true integrative power of evolution for inspiring synthetic design that can ultimately aid humans in many ways," says Irschick.

The work was supported by the U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) through a subcontract to Draper Laboratories, plus UMass Amherst

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Inspiré par les pieds de Gecko, UMass Amherst scientifiques Inventer Super-matériau adhésif

Amherst, Massachusetts - Pendant des années, les biologistes ont été surpris par la puissance de pieds gecko, qui permettent ces lézards de 5 onces de produire une force adhésive à peu près équivalent à une capacité de neuf livres jusqu'à un mur sans glisser. Maintenant, une équipe de scientifiques de polymère et d'un biologiste à l'Université du Massachusetts Amherst ont découvert exactement comment le gecko c'est le cas, qui les conduit à inventer "Geckskin," un dispositif qui peut contenir 700 livres sur un mur lisse.

Candidat au doctorat Michael Bartlett Alfred Crosby science des polymères et de l'ingénierie de laboratoire à UMass Amherst est l'auteur principal de leur article décrivant la découverte dans le numéro actuel en ligne de matériaux avancés . Le groupe comprend biologiste Duncan Irschick, un morphologiste fonctionnelle qui a étudié les capacités du gecko d'escalade et de s'accrocher depuis plus de 20 ans. Les geckos sont aussi à l'aise sur les verticales, obliques, même en arrière-basculement surfaces.

"Étonnamment, les pieds gecko peut être appliqué et dégagé avec facilité, et sans résidu collant restant sur ​​la surface," Irschick dit. Ces propriétés, de grande capacité, la réversibilité et l'adhérence sèche offrent une possibilité très tentante pour les matières synthétiques qui peuvent facilement attacher et de détacher des objets lourds de tous les jours tels que les téléviseurs ou des ordinateurs aux murs, ainsi que les applications médicales et industrielles, entre autres, lui et Crosby dire.

Cette combinaison de propriétés à ces échelles n'a jamais été atteint auparavant, les auteurs soulignent. Crosby dit, «Notre dispositif de Geckskin est d'environ 16 pouces carrés, soit environ la taille d'une carte d'indice, et peut contenir un maximum de force d'environ £ 700 tout en adhérant à une surface lisse comme le verre." Au-delà de sa capacité impressionnante collage, le dispositif peut être libéré avec un effort négligeable et réutilisés plusieurs fois sans perte d'efficacité. Par exemple, il peut être utilisé pour coller un téléviseur de 42 pouces sur un mur, publié avec un remorqueur douce et recollé sur une autre surface autant de fois que nécessaires, ne laissant aucun résidu.

Efforts antérieurs visant à synthétiser le pouvoir adhésif énorme de pieds gecko et tampons étaient fondées sur les qualités de poils microscopiques sur leurs orteils appelés soies, mais les efforts pour les traduire à des échelles plus grandes ont été infructueuses, en partie parce que la complexité de l'ensemble du pied gecko n'a pas été pris en compte. Comme Irschick explique, le pied d'un gecko a plusieurs éléments qui interagissent, y compris les tendons, les os et la peau, qui travaillent ensemble pour produire l'adhérence facilement réversible.

Maintenant, Bartlett, Crosby et le reste de l'équipe de UMass Amherst ont percé le secret simple mais élégant, des comment on fait, de créer un dispositif qui peut manipuler des poids trop importants. Geckskin et sa théorie soutenant démontrer que soies ne sont pas tenus pour le gecko-comme la performance, Crosby souligne. "C'est un concept qui n'a pas été pris en compte dans les stratégies de conception d'autres et qui peut ouvrir des pistes de recherche nouvelles dans gecko-comme l'adhésion à l'avenir".

La principale innovation par Bartlett et ses collègues était de créer un adhésif intégré avec un tampon doux tissé dans un tissu rigide, qui permet au tampon de "draper" sur une surface à maximiser le contact. En outre, comme dans les pieds gecko naturelles, la peau est tissée dans une matière synthétique "tendon", ce qui donne un design qui joue un rôle clé dans le maintien de la rigidité et la liberté de rotation, expliquent les chercheurs.

Il est important, pastille adhésive du Geckskin utilise des matériaux simples de tous les jours tels que polydiméthylsiloxane (PDMS), ce qui est prometteur pour le développement d'un adhésif peu coûteux, robuste et durable à sec.

Les chercheurs UMass Amherst se poursuivent afin d'améliorer leur conception Geckskin en s'appuyant sur ​​les leçons de l'évolution de pieds gecko, qui montrent une variation remarquable dans l'anatomie. «Notre conception de Geckskin montre le vrai pouvoir d'intégration de l'évolution de la conception synthétique source d'inspiration qui peuvent finir par aider les humains à bien des égards», explique Irschick.

Le travail a été soutenu par les Etats-Unis Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) par le biais de sous-traitance à des laboratoires Draper , ainsi que UMass Amherst fonds de recherche.

Source : umass.edu