Das Stanford-Labor entwickelt das „klebrigste Non“ der Welt

Die Entwicklung des „klebrigsten, nicht klebrigen“ Materials der Welt wurde von den zierlichen Füßen des Geckos inspiriert.

Das Biomimetics and Dexterous Manipulation Lab (BDML) des Stanford-Maschinenbauprofessors Mark Cutkosky untersucht die Eigenschaften der unheimlichen Fähigkeit dieser Eidechse, an Oberflächen zu haften. In BDML, Maschinenbau-Ph.D. im sechsten Jahr. Student Tony Chen und Doktorand im Maschinenbau im fünften Jahr. Der Student Amar Hajj-Ahmad arbeitete gemeinsam an der Entwicklung eines trockenen Klebebands, das den Griff des Geckos nachahmt.

Stanfords Gecko-Klebstoff-Entwicklungsprojekt begann Mitte der 2000er Jahre, nachdem die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des US-Verteidigungsministeriums eine Herausforderung herausgegeben hatte, eine Möglichkeit für Roboter zu finden, Wände vertikal ohne Saugwirkung zu erklimmen, sagte Chen. Der Klebstoff wurde kürzlich in einem Informationsvideo auf dem beliebten YouTube-Kanal Veritasium vorgestellt.

Geckos sind eine Echsenart, die typischerweise fleischfressend ist, zwischen einem halben Zoll und etwas mehr als einem Fuß groß ist und weltweit weit verbreitet ist und sowohl in Regenwäldern als auch in Häusern lebt.

Die Anatomie der Zehenpolster des Geckos verleiht ihm seine geschickten Kletterfähigkeiten. Laut Cutkosky im Video erkennt man bei näherer Betrachtung der Zehenballen eines Geckos möglicherweise gerippte Abschnitte, die als Lamellen bezeichnet werden. Lamellen bestehen aus borstenartigen Stielen namens Setae, die in mikrometergroßen Zweigen namens Spatula enden, sagte Cutkosky.

Wenn ein Gecko klettert, verlässt er sich auf die Adhäsion, die den Van-der-Waals-Kräften zugeschrieben wird – ironischerweise der schwächsten intermolekularen Kraft –, die aus der Anziehung zwischen neutralen Atomen besteht. Diese Kräfte ermöglichen es dem Gecko, sich nach Belieben an Oberflächen zu befestigen und von ihnen zu lösen.

Laut Chen hat der Gecko-Kleber eine bessere Funktionalität auf glatten Oberflächen, da die Schroffheit rauerer Oberflächen zu einem größeren Abstand zwischen den Atomen führt, was zu einer schwächeren Haftkraft führt. Cutkosky schrieb, dass BDML „weiterhin versucht, die Gesamtleistung des [Gecko-Klebstoffs] zu verbessern, insbesondere auf nicht glatten Materialien wie Pappe und Stoff.“

Warum Geckos? „Geckos sind die größten Tiere, die noch immer auf Van-der-Waals-Kräfte angewiesen sind“, sagte Chen. Hajj-Ahmad fügte hinzu, dass schwerere Tiere wie Elefanten und Menschen im Gegensatz dazu auf Reibungskräfte angewiesen seien, die mit Normalkräften und Gewicht korrelieren. Da kleinere Organismen leichter sind, können sie nicht so viel Reibungskraft erzeugen und sind auf van der Waals angewiesen.

Zahlreiche Studenten haben das Material seit seiner ursprünglichen Entwicklung immer wieder aufgegriffen. „Die Art und Weise, wie wir es herstellen, und sogar seine Geometrie haben sich in den letzten 16 bis 17 Jahren weiterentwickelt“, sagte Chen.

Laut Hajj-Ahmad „kneift“ ein kletternder Gecko seine Zehen, um seine Adhäsionskraft zu aktivieren, und kehrt dann „die Richtung dieses Kneifens“ um, um die Oberfläche freizugeben. Der von BDML-Forschern entwickelte Klebstoff ahmt dieses Verhalten nach, indem er bei Belastung in eine Richtung fest an einer Oberfläche haftet und sich beim Entladen sauber ablöst.

Das BDML sei nicht das einzige Labor, das an von Geckos inspirierten Klebstoffen arbeite, sagte Cutkosky.

„Der wichtigste Unterschied zwischen den meisten dieser Klebstoffe und unserem Klebstoff ist die Kontrollierbarkeit. Unser Klebstoff klebt nur, wenn er einer Scherkraft ausgesetzt wird; die Entspannung der Scherkraft ermöglicht eine Trennung praktisch ohne Kraftaufwand“, während andere möglicherweise mehr Kraftaufwand erfordern, sagte Cutkosky.

Laut Hajj-Ahmad ermöglichen die dreieckigen Strukturen, die beim Hineinzoomen in den Klebstoff zu sehen sind, die variable Kontaktfläche des Bandes, sodass es eine größere Fläche hat, wenn mehr Griffigkeit benötigt wird, und lediglich den Spitzenbereich, wenn das Band gelöst werden soll.

Die Herstellung des Gecko-Klebers ist ein mehrstufiger Prozess. Zunächst wird mit einer CNC-Maschine eine Form hergestellt. Die CNC verwendet eine ultrascharfe Mikrotomklinge, um dreieckige Markierungen in weiches Wachs einzuprägen, die für das bloße Auge praktisch unsichtbar sind. Der Klebstoff besteht aus Silikon, das für seine Haltbarkeit geschätzt wird und im Allgemeinen nicht reaktiv ist. Anschließend wird eine bestimmte Variante flüssigen Silikons, ausgewählt anhand von Parametern wie Steifigkeit und Viskosität, über die Form gegossen und setzt sich in den von der CNC gefrästen Rillen ab. Darüber wird eine Trägerschicht aus Kapton, ein dünner Film, aufgebracht. Wenn das Silikon ausgehärtet ist, wird es aus der Form entfernt.

„Das Schöne an [dem Gecko-Kleber] ist, dass er keine Rückstände hinterlässt“, sagte Hajj-Ahmad und fügte hinzu, dass er auch sanfter als Saugkraft sei, die zerbrechliche Fertigungskomponenten wie Quarz oder Glasscheiben zerbrechen könne.

Der Gecko-Kleber wurde einer Reihe von Tests unterzogen, um seine Stärke zu beweisen. Für Chen war es „das Beeindruckendste“, zu sehen, wie „sechs winzige Roboter mit Hilfe des Gecko-Klebers ein Auto ziehen“, zusammen mit den Tests, die auf der Internationalen Raumstation durchgeführt wurden.

Der Gecko-Kleber hat seine Grenzen. Derzeit kann jede Wachsform nur „zwei- oder dreimal verwendet werden, da die Merkmale im Wachs beschädigt werden“, sagte Haji-Ahmad. Für die Großserienfertigung „müssen wir über nachhaltigere Wege nachdenken.“

Gecko-Klebstoffe haben Potenzial für vielfältige Industrieanwendungen. Laut Cutkosky hat BDML „unter anderem mit Honda R&D, Ford Motor Company und Flexiv zusammengearbeitet.“ Darüber hinaus schrieb er, dass ein Start-up gegründet wurde, um den Klebstoff zu vertreiben.

Chen sagte, es könnte in Montagelinien der Automobilindustrie anwendbar sein, bei denen „große, flache Teile“ bewegt werden, da „Gecko-Klebstoffe auf glatten Oberflächen wirklich gut funktionieren“. Laut Chen hat die NASA Interesse an der Gecko-Klebetechnologie für Aufgaben wie die Entfernung von Weltraummüll bekundet.

„Klettverschluss begann in einem Labor und ist jetzt ein Rolle-zu-Rolle-Herstellungsprozess, und das ist der Traum [für den Gecko-Kleber]“, sagte Hajj-Ahmad.

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