Un team di ingegneri e biologi marini ha costruito una migliore ventosa ispirata al meccanismo che consente al clingfish di aderire a superfici sia lisce che ruvide, come rocce nella zona dove la marea va e viene.

I ricercatori hanno decodificato il disco di aspirazione del clingfish e hanno sviluppato dispositivi che aderiscono bene a oggetti bagnati e asciutti sia fuori dall'acqua. I dispositivi possono sostenere fino a centinaia di volte il loro peso. Potrebbero essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, dalla movimentazione e imballaggio per i prodotti, alle pinze robotiche nella produzione, al recupero di reperti archeologici.

Il team dell'Università della California a San Diego presenta le sue scoperte in un recente numero della rivista Bioispirazione e Biomimetica .

L'obiettivo principale del progetto era sviluppare una nuova tecnologia in grado di fornire una presa delicata per maneggiare oggetti fragili. Lo studio sottolinea l'importanza della biomimetica, che consente agli scienziati di tutte le discipline, dall'ingegneria alla biologia, di lavorare insieme e trarre ispirazione dalla natura per sviluppare nuove tecnologie.

"Sono sempre stato affascinato dalla natura, e in particolare gli intricati e assolutamente affascinanti design che si sono evoluti e che possono fare ciò che la tecnologia moderna non può, "ha detto Jessica Sandoval, un dottorato di ricerca studente presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego e autore principale dello studio. "Questa è stata un'opportunità perfetta per studiare il meccanismo di adesione in questi clingfish e affrontare come migliorare la tecnologia alla base dell'adesione delle ventose".

Miglioramento delle ventose attraverso la biomimetica

I Clingfish sono piccoli pesci diffusi nelle regioni tropicali e temperate. Sono comuni nelle aree intertidali, dove usano la loro potente capacità di aspirazione per aderire alle rocce, alghe, e alghe. Possono rimanere attaccati a queste superfici anche in presenza di forti correnti e quando sono battuti dalle onde. I pesci rampicanti utilizzati in questo studio erano una specie originaria della costa occidentale, e sono stati raccolti proprio al largo di San Diego.

Studiando il lingfish che hanno raccolto, Sandoval e colleghi hanno scoperto che il segreto per imitare il meccanismo di attacco utilizzato dall'animale era incorporare uno strato morbido e fessure nelle ventose artificiali. Il disco di aspirazione del clingfish è rivestito con file di strutture esagonali, chiamate papille, che sono ricoperti di fibre microscopiche. I ricercatori hanno imitato questo all'interno dei loro prototipi con uno strato morbido in silicone. Questo strato ha notevolmente migliorato le prestazioni adesive su superfici ruvide. Il team ha anche incorporato delle fessure nella camera della ventosa, che assicura una migliore adesione alle irregolarità, superfici concave.

"Quando ho parlato per la prima volta con i miei colleghi di ingegneria, Ero sicuro che il trucco per ottimizzare la ventosa sarebbe venuto dalla biologia, ", ha affermato il coautore dello studio Dimitri Deheyn, ricercatore in biologia marina e biomimetica presso la Scripps Institution of Oceanography presso l'UC San Diego. "Ero anche sicuro che una ventosa migliore avrebbe combinato un'architettura di design unica e un 3-D, meccanismo versatile di qualche tipo."

Prestazioni della ventosa

I dischi di aspirazione artificiale sviluppati dai ricercatori sono stati in grado di aderire a superfici ruvide, come carta vetrata grossa, e a superfici molto variabili, dalle rocce alle verdure, sia dentro che fuori dall'acqua. I ricercatori hanno anche dimostrato che i loro dispositivi possono raccogliere di tutto, da ciliegie e fragole senza romperle, per elaborare conchiglie e vasi.

"Molti dispositivi adesivi aderiscono bene solo su una superficie asciutta o bagnata e hanno difficoltà con le superfici ruvide, ", ha affermato il coautore dello studio Mike Tolley, un esperto di robotica e professore alla Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego. "I nostri dispositivi possono fare tutto."

I dispositivi possono trattenere un oggetto pesante per oltre sei ore, che i ricercatori ritengono possa essere esteso a periodi di tempo più lunghi. Inoltre, questi dischi di aspirazione ispirati al clingfish hanno una presa impressionante date le loro dimensioni:un disco di aspirazione può supportare fino a 350 volte il proprio peso mentre è sospeso nell'aria.

I ricercatori hanno persino dotato il braccio di un veicolo a comando remoto (ROV) di uno dei loro dispositivi e hanno dimostrato che poteva manipolare un uovo crudo senza romperlo.

"Questa specifica applicazione ROV è di particolare interesse per me, "disse Sandoval, che è un pilota ROV d'altura oltre ad essere un dottorato di ricerca. alunno. "Durante il pilotaggio dei ROV, Uso manipolatori sottomarini per recuperare campioni delicati dal fondo del mare. Spesso vorrei avere uno strumento per una presa delicata per completare la potente presa delle ganasce metalliche del manipolatore. Il mio lavoro nelle profondità marine è stata una vera motivazione per cercare nella natura l'ispirazione per l'adesione".

Esperimenti e analisi

I clingfish sono stati raccolti nelle pozze di marea appena a nord del molo di Ellen Browning Scripps. Parte della riserva marina costiera di Scripps, gli scienziati della UC San Diego possono acquisire licenze per raccogliere organismi per scopi scientifici da quest'area, rendendolo una risorsa unica per l'università.

Mentre costruisci dischi di aspirazione ispirati al clingfish, il team ha anche sperimentato l'imitazione delle fibre microscopiche del clingfish rivestendo l'impronta del disco di aspirazione artificiale con uno strato di microscopici pilastri in silicone. interessante, hanno scoperto che i progetti più semplici costituiti da uno spesso strato di silicone hanno prestazioni migliori rispetto ai progetti con pilastri microscopici.

Il team interdisciplinare ha analizzato le prestazioni dei dischi di aspirazione artificiali ispirati al clingfish. I ricercatori hanno caratterizzato il contatto superficiale dell'impronta dei dischi per vedere come interagiscono con una superficie. Hanno cercato di comprendere l'energia sottostante utilizzando l'analisi agli elementi finiti per modellare il processo di deformazione dei dischi di aspirazione. Hanno inoltre eseguito test di forza adesiva su diverse curvature superficiali e diverse rugosità superficiali, che vanno dall'acrilico liscio alla carta vetrata grossa. Hanno testato la quantità di forza necessaria per attaccare il disco a una superficie, a seconda della rugosità della superficie. Hanno scoperto che era necessaria pochissima forza per fissare i dischi a una superficie, il che spiega la capacità dei dispositivi di maneggiare oggetti delicati.