Nella loro quotidianità, gli insetti spesso devono affrontare superfici sia ruvide che lisce e appiccicose. Raggiungono una presa salda attraverso ganci speciali o minuscoli peli sui loro piedi. Sebbene questi diversi requisiti non siano un problema per molti insetti, le applicazioni tecniche sono meno flessibili. Di solito sono sviluppati specificamente per una particolare applicazione, come pneumatici estivi o invernali, per esempio, e non sono in grado di adattarsi a superfici diverse. Ispirato alla speciale struttura dei piedi di cavalletta, un team di ricerca interdisciplinare presso la Kiel University (CAU) ha ora sviluppato un sistema di attrito artificiale che funziona su un'ampia varietà di superfici. La loro combinazione di una morbida membrana in silicone, ripieni di granulato a grana fine, si adatta a quasi tutte le superfici e crea una presa salda sotto una leggera pressione. Il semplice metodo di produzione consente anche applicazioni industriali, come riportato dal team di ricerca nell'attuale numero della rivista scientifica Interfacce materiali avanzati .

Passaggio tra proprietà del materiale morbido e duro

Una presa salda richiede una buona superficie di contatto e allo stesso tempo una trasmissione stabile della forza. "Per aderire a superfici diverse, dobbiamo passare dal comportamento dei materiali morbidi a quelli duri, che in realtà è una contraddizione in termini, " ha spiegato Stanislav Gorb, Professore di Morfologia Funzionale e Biomeccanica al CAU. Mentre i materiali morbidi consentono un'ampia area di contatto con l'ampia varietà di strutture superficiali, i materiali duri consentono una trasmissione ottimale della forza. Perciò, l'esperto di bionica e il suo team hanno cercato un modo per alternare le due proprietà del materiale. Inoltre, volevano una soluzione semplice ed economica da produrre, in modo che possa essere utilizzato anche per applicazioni industriali.

Sono stati ispirati dai piedi speciali delle cavallette, che sono caratterizzati da piccoli, appendici a cuscino. In precedenti ricerche, Gorb e il suo team sono stati in grado di dimostrare che questi cuscini sono ricoperti da una pellicola simile alla gomma, che fornisce un buon contatto di attrito e adesivo con la superficie. D'altra parte, l'interno dei cuscini è costituito da fibre particolarmente stabili in grado di trasmettere una grande quantità di forza. Ricreare una tale struttura fibrillare richiederebbe troppo tempo e sarebbe troppo costoso per le applicazioni industriali, però.

Ora, il gruppo di ricerca di Kiel ha dimostrato un effetto simile per il granulato, cioè un materiale a grana fine. Fare così, hanno usato un principio della cosiddetta "transizione di disturbo". "Lo sai dal caffè sottovuoto:la polvere di caffè viene compressa e forma una massa densa, duro come una roccia. Quando il pacchetto viene aperto per la prima volta, la polvere si scioglie, e quindi si comporta in modo molto diverso, come un fluido, " ha descritto Halvor Tramsen, che insieme a Lars Heepe è uno dei fisici del gruppo di ricerca.

Elevate forze di attrito su superfici lisce, superfici strutturate e sporche

Hanno racchiuso il granulato con una copertura a membrana flessibile e hanno testato le proprietà di attrito del loro "cuscino granulare" GMFP (pad granulare a media frizione) su superfici lisce, superfici strutturate e sporche. Grazie alla membrana morbida ed estensibile, il cuscino aderisce perfettamente alle varie superfici. Gli scienziati hanno quindi esercitato una pressione sul cuscino, che compattava il granulato all'interno, e solidificato l'intero cuscino. Questa rigidità e l'ampia area di contatto con la superficie generano insieme elevate forze di attrito attraverso le quali il cuscino non può più essere spostato. Il cuscino ha mostrato un attrito altrettanto elevato su tutti e tre i tipi di superfici di prova.

Come funziona il principio di attrito del cuscino di granulato su altre superfici è illustrato da un modello sviluppato dal professor Alexander Filippov, un fisico teorico e Georg Forster Research Fellow nel gruppo di lavoro di Kiel. Il suo modello numerico ha anche permesso di testare l'interazione tra granulato e membrana per altri materiali e dimensioni delle particelle.

"Nel nostro prototipo, abbiamo usato silicone elastico per la copertina e l'abbiamo riempita di fondi di caffè essiccati, " spiegò Gorb. A causa delle loro dimensioni e della loro forma ruvida, queste particelle si impigliano tra loro molto facilmente, e l'effetto di transizione jamming, cioè il passaggio tra le proprietà di materiali morbidi e duri, funziona particolarmente bene. In linea di principio, è certamente ipotizzabile l'utilizzo di fondi di caffè essiccati anche per applicazioni industriali con vantaggi di riciclaggio. Dopotutto, questo residuo di caffè è facilmente disponibile, privo di sostanze inquinanti ed economico, disse Gorb. Sono già in programma ricerche su altri materiali granulari e superfici membranose.