Dobra przyczepność i stałe połączenie między różnymi materiałami i powierzchniami stanowi od lat wyzwanie dla techniki. Z pomocą naukowcom przychodzi natura, oferując gotowe rozwiązanie zaczerpnięte ze świata fauny i flory. Zważywszy na ciągły charakter procesu selekcji naturalnej, nie dziwi fakt, że z biegiem ewolucji rozwinęły się różne mechanizmy przyczepności i przytrzymywania. Dla roślin zaletę stanowią trwałe połączenia, np. korzenie znajdujące się w podłożu. Wiele zwierząt podczas poruszania się po stromej lub wystającej powierzchni korzysta z odwracalnych połączeń zapewniających przyczepność, które można ponownie poluzować – najlepiej przy jak najmniejszym zużyciu energii. Jako przykład mogą służyć przyssawki występujące u kałamarnic, substancja zwiększająca przyczepność u żab oraz włoskowate, drobne organy przytwierdzające występujące u pająków, owadów i niektórych jaszczurek – przede wszystkim gekonów.

Już gołym okiem można rozpoznać blaszki czepne (patrz strzałka) na spodniej stronie odnóży felsumy z rodzaju phelsuma nigristriata. Przyglądając się im pod mikroskopem elektronowym, można zauważyć, że płytki te składają się z drobnych, zebranych w grupki włosków (szczeciny)

Przykleić się i odkleić
Również komercyjne, sztuczne systemy przyczepnościowe można przyporządkować do dwóch klas. Do pierwszej zaliczają się różne kleje i taśmy klejące przytwierdzane na stałe w celu zapewnienia trwałego połączenia. Z drugiej strony istnieje wiele tymczasowych systemów chwytania, które w sposób odwracalny przechodzą ze stanu adhazyjnego w nieadhazyjny. Są one interesujące przede wszystkim ze względu na to, że poluzowanie połączenia nie wymaga wkładu siły (a jeśli nawet – wkład ten jest niewielki), a same połączenie nie pozostawia często żadnych śladów w miejscu kontaktu. W sektorze transportu i przeładunku takie systemy stosowane są m.in. w liniach produkcyjnych lub technologicznych. Znanym przykładem jest chwytak próżniowy imitujący przyssawki kałamarnic, chwytak Bernoulliego czy popularne rzepy. Podobne przykłady dowodzą, że warto się bliżej przyjrzeć mechanizmom wykorzystywanym w naturze i spróbować je zrozumieć w celu ich sztucznego powielenia.

Duży potencjał możliwych zastosowań oferują również szybko przełączane mechanizmy przyczepności pająków, owadów i jaszczurek. Te ostatnie wyróżniają się tym, że mimo swoich rozmiarów i wagi posiadają bardzo dobre właściwości przyczepnościowe. Grupę tę reprezentuje przykładowo Toke (Gekko gecko), który przy około 36 cm długości waży ponad 200 g. Ponieważ porusza się z częstotliwością kroków wynoszącą do 7,7 Hz, kontakt między jego kończynami i podłożem musi następować i zwalniać się w czasie krótszym niż 130 ms. Rzeczywiście naukowcy odkryli, że w przypadku tej jaszczurki czas procesu przyczepiania może wynosić około 21 ms, a zwalniania – około 42 ms [5]. Inne gatunki gekonów potrafią biegać z prawie podwójną prędkością [3].

Zafascynowany tym procesem Instytut Nowych Materiałów im. Leibniza (niem. Leibniz Institut für Neue Materialien – INM) zbadał przy pomocy najnowszych metod fizyczne i chemiczne podstawy tego procesu. Na ich podstawie opracował i wyprodukował struktury chwytne, które mogą znaleźć zastosowanie w technice.

Przyczepność dzięki ograniczonemu ciśnieniu powietrza
Pierwsze badania naukowe w zakresie mechanizmów przyczepnościowych u gekonów sięgają początków XX wieku. Już w 1902 r. Franz Weitlaner opublikował artykuł, w którym opisał wyniki swoich eksperymentów dotyczących przyczepności u gekonów. Wykazał, że mechanizm ten działa również w warunkach zredukowanego ciśnienia powietrza i tym samym obalił ówczesną hipotezę mechanizmu ssącego [6].

Wzmocniona przyczepność dzięki strukturze włókienkowej. A: rozdzielenie powierzchni kontaktowej na wiele obszarów wymaga większej siły przyczepności niż powierzchnia niestrukturyzowana. B: mikroskopijnie małe kolumny z syntetycznego polimeru imtują efekt gekona i stanowią podstawę technologii Gecomer

Morfologia struktur przyczepnościowych została dokładniej zbadana w połowie XX w. za pomocą mikroskopu elektronowego. Okazało się, że struktury rozgałęziają się hierarchicznie. Poszczególne części są połączone z obszarem kontaktowym żeberkowo i pokryte licznymi mikroskopijnymi włoskami. Włoski rozgałęziają się dalej na drobne włókienka o grubości 200 nm, zakończone płytkowym zgrubieniem. W latach 60. poprzedniego stulecia po raz pierwszy odkryto związek pomiędzy drobną strukturą odnóży gekonów a przyczepnością do twardej powierzchni [4]. Na początku XXI w. udowodniono, że przyczepność odnóży gekona spowodowana jest oddziaływaniem van der Waalsa [2]. Przyczepność jest możliwa dzięki oddziaływaniu dwóch atomów o tymczasowym charakterze dipolowym. Poprzez fluktuację ładunku w jednym atomie (to znaczy czasowo zmieniające się, asymetryczne rozdzielenie gęstości elektronowej o jedno jądro atomu) na krótki czas powstaje dipol, który może polaryzować sąsiadujący atom. W ten sposób tworzy się tzw. dipol indukowany, który stabilizuje dipol powstały na skutek fluktuacji ładunku. Energia wiązania między dwoma atomami zależy od ich polaryzowalności i znajduje się w rzędzie wielkości 0,1 eV. Opisane wyżej oddziaływanie van der Waalsa obowiązuje również dla ciał makroskopowych pod warunkiem uwzględnienia teorii Hamakera i Lifszyca.

Choć oddziaływanie van der Waalsa jest stosunkowo niewielkie, może znaleźć zastosowanie w praktyce. Jest ono bowiem wzmacniane dzięki zasadzie podziału kontaktu: powierzchnia kontaktowa, która jest podzielona na kilka pojedynczych punktów, ma lepszą przyczepność niż ta sama powierzchnia bez jakiegokolwiek podziału [1]. Można to wytłumaczyć w następujący sposób: aby mógł być zainicjowany, proces odrywania wymaga powstania szczeliny między połączeniem a powierzchnią powłoki. Szczelina ta przesuwa się następnie przy niewielkim nakładzie energii wzdłuż powierzchni – aż do całkowitego oderwania. W związku z tym powierzchnia przyczepna składająca się z wielu punktów kontaktowych wymaga większych nakładów energii w celu całkowitego odczepienia niż homogeniczna, niestrukturalna powierzchnia kontaktowa, gdyż musi powstać nie jedna, a wiele szczelin inicjujących.

Technologia Gecomer w robotyce. Dzięki włókienkowym mikrostrukturom możliwe jest przymocowanie elementu do gładkich, twardych substancji, a stymulacja mechaniczna pozwala precyzyjnie sterować procesem adhezji. Tym sposobem technologia Gecomer umożliwia operowanie delikatnymi materiałami przy niewielkim zużyciu energii

Instytut INM już wcześniej rozpoznał potencjał tzw. efektu gekona w aplikacjach przemysłowych i zapewnił sobie odpowiednie prawa patentowe. Odkrycie to zostało też zarejestrowane pod nazwą handlową Gecomer. Przy pomocy fotolitograficznych małych próbek laboratoryjnych o powierzchni centymetra kwadratowego Instytut zademonstrował zastosowanie tej technologii w robotyce. Dzięki specjalnej strukturze można mechanicznie przełączać stan adhazyjny na nieadhazyjny. W 2014 roku na międzynarodowych targach Teach Connect World w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy zaprezentowano też Gecobota – robota przemysłowego wyposażonego w małe struktury modelowe.

Cechą szczególną nowej technologii – w porównaniu z chwytakami próżniowymi lub Bernoulliego – jest możliwość delikatnego i bezśladowego operowania kruchymi materiałami (również w próżni), a także wysoka wydajność energetyczna i zasobów dzięki rezygnacji z dodatkowych systemów (magnetycznych, ssących lub sprężonego powietrza). Dzięki dopasowaniu struktur i materiałów możliwe stało się osiągnięcie doskonałej przyczepności również na szorstkich powierzchniach, a także ustawienie sił przyczepności równolegle do struktur występujących u gekona. Dla gładkich substratów INM osiągnął w międzyczasie znormalizowaną siłę przyczepności powyżej 1 N/cm2.

Technika ta może znaleźć w przyszłości szereg praktycznych zastosowań, m.in. w systemach typu pick-and- -place stosowanych w branży motoryzacyjnej. Wartość rynku tych systemów wyłącznie w tej branży wyceniono w 2013 r. na 250 mln euro, przy czym około 100 mln euro przypadało na Europę. Systemy chwytające są również szeroko wykorzystywane w branży papierniczej i pakunkowej. Specjalnie zaprojektowane struktury Gecomera – ze względu na ich zdolność do pracy w próżni – mogą okazać się pomocne także przy zbieraniu śmieci kosmicznych.

LITERATURA
[1] E. Arzt, S. Gorb, R. Spolenak (2003), From micro to nano contacts in biological attachment devices, PNAS, 100 (19), s. 10603–10606.
[2] K. Autumn et al. (2002), Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae, PNAS, 99, s. 12252–12256.
[3] K. Autumn et al. (2006), Dynamics of geckos running vertically, J. Exp. Biol. 209 (2), s. 260-272.
[4] U. Hiller (1968), Untersuchungen zum Feinbau und zur Funktion der Haftborsten von Reptilien, Zeitschr. für Morph.
der Tiere, 62 (4), s. 307-362.
[5] Z. Y. Wang, J. T. Wang, A. I. Ji, Y. Y. Zhang (2011), Behavior and dynamics of gecko’s locomotion: The effects of moving directions on a vertical surface, Sci. Bull., 56 (6), s. 573-583.
[6] F. Weitlaner (1902), Eine Untersuchung über den Haftfuss des Gecko, Verh. zool. bot. Ges, Wien, nr 52, s. 328–332.