Uma equipe de engenheiros e biólogos marinhos construiu uma melhor ventosa inspirada no mecanismo que permite ao peixe-garra aderir a superfícies lisas e ásperas, como rochas na área onde a maré vai e vem.

Os pesquisadores fizeram a engenharia reversa do disco de sucção do peixe-claro e desenvolveram dispositivos que se agarram bem a objetos molhados e secos, tanto dentro como fora d'água. Os dispositivos podem suportar até centenas de vezes o seu próprio peso. Eles podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações, desde manuseio e embalagem de produtos, para garras robóticas na fabricação, à recuperação de artefatos arqueológicos.

A equipe da Universidade da Califórnia em San Diego apresenta suas descobertas em uma edição recente da revista Bioinspiração e Biomimética .

O objetivo geral do projeto era desenvolver uma nova tecnologia capaz de fornecer pega delicada para manusear objetos frágeis. O estudo destaca a importância da biomimética, que permite que cientistas de várias disciplinas, de engenharia a biologia, trabalhem juntos e se inspirem na natureza para desenvolver novas tecnologias.

“Sempre fui fascinado pela natureza, e, especificamente, os designs fascinantes e intrincados que evoluíram e que podem fazer o que a tecnologia moderna não pode, "disse Jessica Sandoval, um Ph.D. estudante da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs e principal autor do estudo. "Esta foi uma oportunidade perfeita para estudar o mecanismo de adesão nesses peixes-garfo e ver como a tecnologia por trás da adesão de ventosas pode ser melhorada."

Melhorando as ventosas por meio da biomimética

Clingfish são peixes pequenos, encontrados em regiões tropicais e temperadas. Eles são comuns em áreas entre marés, onde eles usam sua poderosa capacidade de sucção para aderir às rochas, algas, e ervas marinhas. Eles podem permanecer presos a essas superfícies mesmo em fortes correntes e quando atingidos por ondas. O clingfish usado neste estudo era uma espécie nativa da Costa Oeste, e foram coletados na saída de San Diego.

Ao estudar o peixe-garfo que coletaram, Sandoval e colegas descobriram que o segredo que imita o mecanismo de fixação que o animal usa era incorporar uma camada macia e fendas nas ventosas artificiais. O disco de sucção do clingfish é revestido com fileiras de estruturas hexagonais, chamadas papilas, que são cobertos por fibras microscópicas. Os pesquisadores imitaram isso dentro de seus protótipos com uma camada macia feita de silicone. Essa camada melhorou drasticamente o desempenho do adesivo em superfícies ásperas. A equipe também incorporou fendas na câmara da ventosa, o que garante melhor adesão ao irregular, superfícies côncavas.

"Ao falar pela primeira vez com meus colegas engenheiros, Eu tinha certeza de que o truque para otimizar a ventosa viria da biologia, "disse o co-autor do estudo Dimitri Deheyn, um pesquisador em biologia marinha e biomimética no Scripps Institution of Oceanography na UC San Diego. "Eu também tinha certeza de que uma ventosa melhor combinaria uma arquitetura de design única e 3-D, mecanismo versátil de algum tipo. "

Desempenho da ventosa

Os discos de sucção artificiais desenvolvidos pelos pesquisadores foram capazes de aderir a superfícies ásperas, como lixas grossas, e para superfícies altamente variáveis, de pedras a vegetais, dentro e fora da água. Os pesquisadores também mostraram que seus dispositivos podem pegar tudo, desde cerejas e morangos, sem esmagá-los, para elaborar conchas e vasos.

"Muitos dispositivos adesivos aderem bem apenas a uma superfície seca ou úmida e têm dificuldades com superfícies ásperas, "disse o co-autor do estudo Mike Tolley, especialista em robótica e professor da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego. "Nossos dispositivos podem fazer tudo."

Os dispositivos podem segurar um objeto pesado por mais de seis horas, que os pesquisadores acreditam que pode ser estendido para períodos de tempo mais longos. Além disso, esses discos de sucção inspirados no peixe-peixe têm uma empunhadura impressionante devido ao seu tamanho:um disco de sucção pode suportar até 350 vezes seu próprio peso quando suspenso no ar.

Os pesquisadores até equiparam o braço de um Veículo Operado Remotamente (ROV) com um de seus dispositivos e mostraram que ele poderia manipular um ovo cru sem quebrá-lo.

"Esta aplicação específica de ROV é de particular interesse para mim, "disse Sandoval, que é piloto de ROV de alto mar, além de ser um Ph.D. estudante. "Ao pilotar ROVs, Eu uso manipuladores submarinos para recuperar amostras delicadas do fundo do mar. Muitas vezes eu gostaria de ter uma ferramenta de pega delicada para complementar a força poderosa das mandíbulas metálicas do manipulador. Meu trabalho no fundo do mar foi uma verdadeira motivação por trás de olhar para a natureza em busca de inspiração para adesão. "

Experimentos e análises

Os peixes-colchão foram coletados nas poças de maré logo ao norte do píer Ellen Browning Scripps. Parte da Reserva Marinha Costeira Scripps, cientistas da UC San Diego podem adquirir licenças para coletar organismos para fins científicos nesta área, tornando-o um ativo único para a universidade.

Ao construir discos de sucção inspirados no peixe-peixe, a equipe também experimentou imitar as fibras microscópicas do peixe-palhaço, revestindo a pegada do disco de sucção artificial com uma camada de pilares microscópicos feitos de silicone. Interessantemente, eles descobriram que os designs mais simples, que consistiam em apenas uma camada espessa de silicone, tinham um desempenho melhor do que os designs com pilares microscópicos.

A equipe interdisciplinar analisou o desempenho dos discos de sucção artificiais inspirados no peixe-peixe. Os pesquisadores caracterizaram o contato superficial da pegada dos discos para ver como eles interagem com uma superfície. Eles procuraram entender a energética subjacente usando a Análise de Elementos Finitos para modelar o processo de deformação dos discos de sucção. Eles também realizaram testes de resistência adesiva em diferentes curvaturas de superfície e diferentes rugosidades de superfície, variando de acrílico liso a lixa grossa. Eles testaram a quantidade de força necessária para prender o disco a uma superfície, dependendo da rugosidade da superfície. Eles descobriram que muito pouca força era necessária para prender os discos a uma superfície, o que explica a capacidade dos dispositivos de manusear objetos delicados.