Этот материал позволяет ползать как геккон [Veritasium]
[музыка] Это один из самых странных материалов, что я видел. Смотрите, он абсолютно не липкий, к нему даже скотч не приклеить. Но если положить его на помидор, а если перевернуть, он... Так получается только с помидорами. Нет, вот бутылка с водой, а вот пакет с чипсами. Подойдёт любая гладкая поверхность. Всё потому что этот материал работает как лапы гекона. Этот удивительный материал придумали в лаборатории Марка Каткуски в Стэнфорде. Он позволяет роботам захватывать хрупкие объекты, передвигать грузы во много раз тяжелее своего веса экипажу международной космической станции.
А ещё с его помощью можно забраться по отвесной стеклянной стене, прямо как человек-паук. Началось всё с конкурса на лучшего... Карабкался довольно прочно, тянем вверх, отклеивается. А вот гекоскотч. Сразу можно заметить, что он ни к чему не прилипает. Но если поднимать за середину ленты, он удержит мяч. Кто-то скажет: "Ну и что, это можно сделать с помощью обычного скотча?". Да, но обычный скотч не может. Вот так!
Это важно, например, для робота, который взбирается по стене. Всякие липучки на ногах будут только мешать; каждый шаг потребует кучу энергии, поэтому мы хотим цепляться только когда это нужно. И это главный принцип нашего адгезивного геко-материала. Вот твой прототип робота: у нас ушло много сил на то, чтобы понять, как геконы умудряются не падать.
Их лапы держатся на поверхности, но не приклеиваются. Геконы - отличные скалолазы. Они легко карабкаются по стенам и ползают по потолку, но долгое время мы не понимали, как, в отличие от пауков и насекомых, у них на лапках нет ни волосков, ни крючков. Было бы логично предположить, что там есть маленькие присоски, но они не могут объяснить силу, с которой геконы цепляются за поверхность. Гекон может удерживать вес своего тела всего на одном пальце.
Секрет кроется в мельчайших структурах на его лапках, вот так называемые ламелы. Они состоят из тонких щетинок, которые, в свою очередь, разветвляются на крохотные лопаточки или спатула, меньше микрометров в поперечнике. Это примечательно, так как в основе цепкости на самом деле лежит слабая физическая сила. Это не ионная связь, когда атомы притягиваются из-за противоположных зарядов, и не водородная, при которой часть молекулы заряжена слегка положительно, а часть слегка отрицательно.
Нет, в случае с геконом действует притяжение между нейтральными атомами. Но как именно? Допустим, гекон ползёт по отвесному стеклу, атомы его лап как и атомы стекла нейтральны. Но в каждый отдельный момент электроны вокруг ядра располагаются неравномерно: с одной стороны их может оказаться чуть меньше, из-за чего буквально на мгновение эта сторона станет положительно заряженной, а другая - отрицательно заряженной.
Если при этом в пределах нескольких нанометров находится атом стекла, такой заряд может вызвать дисбаланс зарядов, и в нём теперь электроны атома стекла притягивают атом гекона и наоборот. Между ними возникают чрезвычайно слабые силы — силы Вандерваальса. В том числе именно из-за них очень гладкие кусочки стали как будто прилипают друг к другу. Применяют такое часто. Знаете виниловые наклейки в машину на заднее стекло, чтобы вроде как солнце сильно не светило? Там работают те же силы. Обычно, ведь если взять, скажем, человеческий палец, на молекулярном уровне наша кожа очень неровная.
При должном приближении она выглядит словно горный хребет. Даже с гладким стеклом контакта очень мало. У геконов благодаря ветвистым спатулам такой проблемы не возникает. Когда гекон ставит лапу, площадь тесного соприкосновения получается очень большой. Представьте, будто вы клей разливаете по поверхности. Поэтому возникает сцепление. Полностью повторить такую структуру пока что невозможно.
Повторить такое мы не можем никак, слишком сложная структура получается. Да, невероятно сложная. Но какое-то грубое подобие мы сделали. В микроскоп видно, что искусственный материал покрыт крошечными зазубринами, кончики толщиной 1-2 микрометра. Это в 100 раз тоньше человеческого волоса. Создание таких структур — очень трудоёмкий процесс. Сперва берётся восковая заготовка, затем с помощью лезвия в поверхности делаются клиновидные углубления, форму заливают силиконовым полимером и прижимают сверху материалом для подложки.
Это силикон называется Сигар 170 — да, разновидность силикона. Спустя сутки наш материал застыл и готов к применению. Готовый продукт форму можно использовать всего пару раз, после чего качество падает и нужна новая заготовка. Эта клиновидная структура имеет интересное свойство: при соприкосновении с поверхностью контакт происходит только на самых кончиках. Поэтому материал не держится — у них сил слишком мало. Когда мы тянем, сгибаются, и площадь контакта становится больше, почти непрерывной.
Тогда, точно как и у гекона, начинают работать силы Вандерваальса, и возникает сцепление. Чтобы материал закрепился, нужно потянуть его параллельно поверхности, создать так называемое касательное напряжение в определённом направлении, чтобы кончики согнулись, образовав поверхность контакта. Если тянуть в другую сторону, эффекта не будет. Поэтому материал легко отстаёт от предметов, так как контакта с поверхностью очень мало.
Материал очищается обычным скотчем, ведь Сигар к нему не липнет в отличие от пыли. Да, всё верно, гекоскотч используют в крохотном роботе-тягаче. МикроОн весит всего 17 грамм, но может тянуть 20 кг. Это как если бы человек мог взять на буксир синего кита. Роботы могут сдвинуть автомобиль. Адгезивов робота, когда он тянет груз, создаётся касательное напряжение, необходимое для того, чтобы прикрепиться к полу. Когда машина трогается, усилие ослабляется, и робот может пройти дальше.
Масса, которую можно сдвинуть таким образом, зависит от площади соприкосновения с поверхностью. Учёные придумали быстрый способ её измерить: с помощью орк подсветкой. По сути, светодиоды просвечивают стекло, а там, где материал прилегает плотно, свет бьёт в него, и мы точно видим область соприкосновения. 6,5 квадратных сантиметров такого контакта могут удержать на весу 4,5 кг, так как направление играет главную роль.
Берутся две полоски материала, зубчики на которых направлены в противоположные стороны. Если потянуть за середину на обеих, создаётся напряжение сцепления. Эта технология была протестирована на Международной космической станции. Робот Араби — это такой беспилотный аппарат, у него есть вентилятор, которым он себя направляет, летая по станции. Его используют, чтобы записывать астронавтов на видео или приносить им нужные вещи.
Мы решили, что будет удобно, если он сможет аккуратно приклеивать к стенам или носить коробки. Должен загореться зелёным, поскольку силы тяжести нет, много усилий не требуется, но нужно делать всё неспешно и аккуратно. Так что наш гекоскотч уже показал себя в космосе, и там он работает так же хорошо, как и здесь. Эта штука была на МКС. Да, примерно полтора года. Ого!
Если вместо двух полосок взять три кусочка материала, можно будет цепляться за отвесные поверхности в состоянии покоя. Эти подушечки чуть под углом, а если потянуть, то они встают ровно. Так, да. Сначала контакта мало, потому что подушечки не прижаты. Но как только мы включаем... А, да, всё отлично видно. А вот я всё отключил. Питания нет, но они продолжают держать! Я думал, если выключить, они отцепятся. То есть они как бы фиксируются: пока есть натяжение, они не отстанут.
У этого материала найдётся куча областей применения, но самый очевидный — захватывающее устройство, так как сцепление происходит даже при небольшом усилии. Технология отлично подходит, например, для овощей и фруктов. А вот это наши умные гекко-лапки. Их задача — удерживать, но не сжимать, и даже храповик не нужен. Такой манипулятор может поднять большой контейнер или обхватить баскетбольный мяч.
Выдержит ли гекоскотч массу автомобиля? Мы прицепили один конец троса к машине, а другой к вот этой лебёдке, но она не закреплена. Её держат лишь четыре полоски гекоскотча, которые мы положили на эту трубу. Вопрос: смогут ли они удержать лебёдку, пока она будет тащить машину? Ага. [аплодисменты] Двигается! Ух ты! Ух ты! Можно убирать. Да, как будто ничего и не держало. Круто!
Главный вопрос: можно ли таким образом ползать по стенам? О том, как это сделать, мой знакомый Элиот Хоукс написал кандидатскую диссертацию. Сложнее всего оказалось обеспечить достаточную площадь контакта с поверхностью в каждый момент времени, чтобы удерживать вес человека. Напишите в комментариях, если хотите, чтобы я тоже попробовал забраться на здание. Надеюсь, у меня получится! Быстрее. Переведено и озвучено студией "Верт Дайдер".