Щетинки геккона

Щетинки геккона — это специализированные микроскопические выросты на пальцах ног гекконов, обеспечивающие уникальную способность этих ящериц удерживаться на гладких вертикальных и даже потолочных поверхностях (например, стекле, пластике, листьях). Данный механизм основан на действии сил Ван-дер-Ваальса и капиллярного сцепления, а не на присосках или клейких веществах.

Строение и иерархия

Система адгезии гекконов представляет собой многоуровневую иерархическую структуру. Каждый палец ноги покрыт рядами ламилл — поперечных валиков кожи, которые хорошо видны невооружённым глазом. Ламиллы, в свою очередь, покрыты миллионами микроскопических волосков — щетинок (сета — от лат. seta). Длина одной щетинки составляет около 30–130 мкм, а диаметр — около 5–10 мкм.

Каждая щетинка на конце разветвляется на сотни ещё более мелких структур — лопаточек (спатул — от лат. spatula). Количество спатул на одной щетинке может достигать 100–1000 штук. Размеры спатул находятся в нанометровом диапазоне: длина около 200 нм, ширина — 10–30 нм, толщина — около 5 нм. Таким образом, общая площадь контакта одного пальца геккона с поверхностью может составлять несколько квадратных миллиметров, но при этом состоит из десятков миллиардов наноразмерных точек соприкосновения.

Механизм адгезии

Вопреки распространённому мнению, гекконы не используют для удержания на поверхностях присоски, клей или всасывание. Основной механизм — силы Ван-дер-Ваальса. Это слабые межмолекулярные взаимодействия, возникающие между атомами и молекулами. Из-за огромного количества точек контакта (спатул) суммарная сила Ван-дер-Ваальса становится значительной — достаточной, чтобы удерживать вес тела ящерицы.

Дополнительную роль играют капиллярные силы. Тончайшая плёнка воды, всегда присутствующая на поверхностях в обычных условиях, образует между спатулой и субстратом водяной мостик. Капиллярное притяжение увеличивает общую силу сцепления. Однако, в отличие от некоторых насекомых, гекконы могут удерживаться и в условиях полного вакуума, что доказывает доминирующую роль сил Ван-дер-Ваальса.

Самоочищение

Важным свойством щетинок является самоочищение. Гекконы не пачкают свои лапы, даже если ходят по пыльным поверхностям. Это объясняется тем, что сила адгезии между частицей грязи и поверхностью, по которой движется геккон, обычно больше, чем сила адгезии между частицей и щетинками. При каждом шаге частица грязи переходит на субстрат, а не остаётся на лапе. Эффект самоочищения позволяет геккону сохранять адгезионные свойства без необходимости чистить конечности.

Виды гекконов и различия

Хотя способность к лазанию по гладким поверхностям характерна для многих видов гекконов, строение и плотность щетинок могут различаться. Наиболее изученными являются представители рода Gekko (например, геккон токи, Gekko gecko). У этих видов плотность щетинок может достигать 14 000 на квадратный миллиметр, а общее количество спатул на одной особи — около 6,5 миллиардов.

У других видов, например, у мадагаскарских дневных гекконов (Phelsuma), щетинки могут быть более длинными и менее плотными, что адаптировано для лазания по листьям и коре деревьев. У видов, ведущих преимущественно наземный образ жизни (например, у некоторых эублефаров), щетинки редуцированы или отсутствуют, и они не способны удерживаться на гладких вертикальных поверхностях.

Применение в бионике

Изучение щетинок геккона послужило основой для развития бионики — создания искусственных материалов, имитирующих природные механизмы. Разработки в этой области направлены на создание «сухих клеев» — поверхностей, способных многократно прикрепляться и открепляться без остатка.

Искусственные гелько-материалы

Основные направления исследований:

• Синтез полимерных массивов щетинок. Учёные из различных университетов (Стэнфорд, Калифорнийский университет в Беркли, Массачусетский технологический институт) создали прототипы материалов из полимеров (полидиметилсилоксан, полиимид, полиуретан), поверхность которых покрыта микро- и наноразмерными столбиками, имитирующими спатулы. Такие материалы демонстрируют высокую адгезию к гладким поверхностям.
• Углеродные нанотрубки. В 2007 году группа исследователей из Университета Акрона (США) создала материал на основе многостенных углеродных нанотрубок, который по силе сцепления превосходил природные щетинки геккона. Этот материал способен удерживать вес, в 10 000 раз превышающий собственный.
• Робототехника. Разрабатываются прототипы роботов-гекконов, способных передвигаться по вертикальным стенам и потолкам. Такие роботы могут быть использованы для инспекции зданий, ремонта в труднодоступных местах, а также в космических программах (для ремонта спутников на орбите).

Проблемы и ограничения

Несмотря на успехи, создание коммерчески жизнеспособного «гелько-клея» сталкивается с рядом трудностей:

• Износ. Искусственные щетинки быстро истираются при многократном использовании.
• Загрязнение. В отличие от природных щетинок, искусственные материалы часто не обладают эффектом самоочищения.
• Масштабирование. Производство наноразмерных структур на больших площадях остаётся дорогостоящим и технологически сложным процессом.
• Зависимость от влажности. Некоторые искусственные материалы теряют адгезию в условиях сухого воздуха или вакуума.

Интересные факты

• Геккон весом 50 граммов способен удерживать на одной лапе груз массой до 1 килограмма.
• Процесс открепления лапы занимает у геккона менее 15 миллисекунд. Для этого он изменяет угол наклона пальца, что позволяет «отсоединить» щетинки от поверхности с минимальным усилием.
• В 2014 году группа учёных из Университета Кембриджа показала, что щетинки геккона обладают антибактериальными свойствами — они механически разрушают клеточные мембраны бактерий при контакте.
• Некоторые виды гекконов, например, геккон-домовой (Hemidactylus frenatus), способны удерживаться на поверхности даже под водой, хотя эффективность адгезии при этом снижается.

Источники

1. Autumn, K., et al. (2000). "Adhesive force of a single gecko foot-hair". Nature.
2. Autumn, K., et al. (2002). "Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae". Proceedings of the National Academy of Sciences.
3. Hansen, W. R., & Autumn, K. (2005). "Evidence for self-cleaning in gecko setae". Proceedings of the National Academy of Sciences.
4. Geim, A. K., et al. (2003). "Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair". Nature Materials.
5. Qu, L., et al. (2008). "Carbon nanotube arrays with strong shear binding-on and easy normal lifting-off". Science.
6. Stark, A. Y., et al. (2012). "The effect of surface water and wetting on gecko adhesion". Journal of Experimental Biology.
7. Watson, G. S., et al. (2015). "A gecko skin micro/nano structure – A low adhesion, superhydrophobic, anti-wetting, self-cleaning, biocompatible, antibacterial surface". Acta Biomaterialia.