A estrutura especial dos pés dos gafanhotos inspirou os cientistas da Universidade de Kiel para um sistema de adesão artificial que funciona em diferentes superfícies. Crédito:Stanislav Gorb
Em suas vidas cotidianas, os insetos frequentemente precisam lidar com superfícies ásperas e lisas, bem como com superfícies pegajosas. Eles conseguem uma pegada firme por meio de ganchos especiais ou pequenos pelos dos pés. Embora esses diferentes requisitos não sejam um problema para muitos insetos, as aplicações técnicas são menos flexíveis. Eles geralmente são desenvolvidos especificamente para uma aplicação específica, como pneus de verão ou inverno, por exemplo - e não são capazes de se adaptar a superfícies diferentes. Inspirado na estrutura especial dos pés do gafanhoto, uma equipe de pesquisa interdisciplinar da Kiel University (CAU) desenvolveu um sistema de fricção artificial que funciona em uma ampla variedade de superfícies. Sua combinação de uma membrana de silicone macia, preenchido com granulado de grão fino, adapta-se a quase qualquer superfície e cria uma aderência firme sob leve pressão. O método de produção simples também permite aplicações industriais, conforme relatado pela equipe de pesquisa na edição atual da revista científica Interfaces de materiais avançados .
Alternando entre propriedades de materiais moles e duros
Uma pegada firme requer uma boa superfície de contato, bem como uma transmissão estável de força ao mesmo tempo. "Para se manter em superfícies diferentes, devemos alternar entre o comportamento de materiais macios e duros, o que é na verdade uma contradição em termos, "explicou Stanislav Gorb, Professor de Morfologia Funcional e Biomecânica do CAU. Enquanto os materiais macios permitem uma grande área de contato com a ampla variedade de texturas de superfície, materiais duros permitem uma ótima transmissão de força. Portanto, o especialista em biônica e sua equipe procuraram uma maneira de alternar entre as duas propriedades do material. Além disso, eles queriam uma solução simples e econômica de produzir, de modo que também pode ser usado para aplicações industriais.
Eles foram inspirados pelos pés especiais dos gafanhotos, que são caracterizados por pequenos, apêndices em forma de almofada. Em pesquisas anteriores, Gorb e sua equipe conseguiram mostrar que essas almofadas são revestidas com uma película semelhante a borracha, que proporciona um bom contato friccional e adesivo com a superfície. Por outro lado, o interior das almofadas consiste em fibras particularmente estáveis que podem transmitir uma grande quantidade de força. Recriar essa estrutura fibrilar seria muito demorado e muito caro para aplicações industriais, Contudo.
Inspirado nos pés do gafanhoto:A membrana elástica do sistema adesivo desenvolvido na CAU se adapta bem a superfícies irregulares. Se uma leve pressão for aplicada a ele na segunda etapa, as partículas granulares internas se aproximam. Isso aumenta a rigidez de todo o material e não pode ser movido do local. Crédito:Halvor Tramsen
Agora, a equipe de pesquisa de Kiel demonstrou um efeito semelhante para o granulado, ou seja, um material de granulação fina. Para fazer isso, eles usaram o princípio da chamada "transição de interferência". "Você sabe disso com o café embalado a vácuo:o pó de café é comprimido e forma uma massa densa, tão duro como uma rocha. Quando o pacote é aberto pela primeira vez, o pó se solta, e, portanto, se comporta de maneira bastante diferente, como um fluido, "descreveu Halvor Tramsen, que junto com Lars Heepe é um dos físicos da equipe de pesquisa.
Altas forças de atrito na superfície lisa, superfícies estruturadas e sujas
Eles envolveram o granulado por uma cobertura de membrana flexível e testaram as propriedades de fricção de sua "almofada granular" GMFP (almofada de fricção granular média) em superfícies lisas, superfícies estruturadas e sujas. Graças à membrana macia e elástica, a almofada fixou-se perfeitamente às várias superfícies. Os cientistas então exerceram pressão sobre a almofada, que compactou o granulado dentro, e solidificou toda a almofada. Essa rigidez e a grande área de contato com a superfície geram altas forças de atrito através das quais a almofada não pode mais ser movida. A almofada exibiu um atrito similarmente alto em todos os três tipos de superfícies de teste.
A tampa flexível se adapta a superfícies ásperas, de modo que a almofada de silicone não pode ser movida, mesmo sob forte pressão. Crédito:Siekmann, CAU
Como o princípio de fricção da almofada de granulado funciona em outras superfícies é ilustrado por um modelo desenvolvido pelo Professor Alexander Filippov, um físico teórico e Georg Forster Research Fellow no grupo de trabalho de Kiel. Seu modelo numérico também permitiu a interação de granulado e membrana a ser testada para outros materiais e tamanhos de partículas.
"Em nosso protótipo, usamos silicone elástico para a capa e a enchemos com pó de café seco, "explicou Gorb. Devido ao seu tamanho e forma áspera, essas partículas se enredam umas nas outras com muita facilidade, e o efeito de transição de interferência, ou seja, a troca entre as propriedades de materiais moles e duros, funciona particularmente bem. Em princípio, certamente é concebível usar pó de café seco também para aplicações industriais com benefícios de reciclagem. Afinal, este resíduo de café está prontamente disponível, livre de poluentes e barato, disse Gorb. Pesquisas em outros materiais granulares e superfícies membranosas já estão planejadas.
