Физика в мире животных: лапа геккона / Хабр
Фото: Wikimedia
Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло.
На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в «альпинизме».
Присоски на пальцах. Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.
Электростатика
Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.
Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.
Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.
Фото: wikipedia
С появлением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех деталях. Как оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составляет до сотни микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм2. Каждая щетинка, в свою очередь, не является монолитным образованием, а делится на конце на 400-1000 еще более мелких волокон. Толщина таких волокон составляет 0,2 мкм. На 1 см2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.
а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под бОльшим увеличением д. Максимальное увеличение щетинки
Американские ученые выяснили, что сила сцепления лапы геккона токи составляет 10 Ньютон на 1 см2. Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идет о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов — скалы, деревья, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого достаточно для удержания животного на месте.
Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.
Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.
Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.
Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?
Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.
Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос — каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления — и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.
Влияние воды
В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.
Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.
По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут закрепиться на поверхности.
Не только лапы
В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.
Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему — происхождение этого механизма в процессе эволюции.
«Гекконовый скотч»
С тех пор, как механизм работы лапок геккона в целом стал понятен, люди пытаются воcпроизвести его искусственно. В частности, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, позволяющее человеку с массой 122 кг (масса тела + полезная нагрузка) взобраться на стеклянную отвесную стену на высоту в 7,6 м. Инженер из Стэнфорда создал робота, который может взбираться по практически отвесным гладким поверхностям. Манипуляторы робота тоже созданы по образцу лапы геккона. А специалисты из Пенсильванского университета разработали новый тип высокоточного захвата, который можно использовать на производстве для работы с мелкими деталями. Ведется и разработка сверхклейкого скотча, который может выдержать много циклов использования и поверхность которого не загрязняется при длительном использовании. В NASA разработали специальное крепление, которое можно использовать как условиях Земли, так и в условиях невесомости в космосе. Оно позволяет крепить грузы к поверхностям при помощи специальной «липучки», созданной по образу и подобию поверхности лапки геккона.
Геккон и нанотехнологии
Геккон и нанотехнологии
1МБОУ "Лицей №159"
Ржевина Н.В. 11МБОУ "Лицей №159"
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды по телевизору я увидел сюжет о гекконе, бегающем по стенам и потолку. Это было захватывающее зрелище. Эти маленькие тропические ящерицы вызвали мое восхищение своим умением удерживаться практически на любой поверхности. Гекконы способны карабкаться по крутым склонам, взбираться по гладкой стене со скоростью 1 м за секунду и даже бегать вверх тормашками по потолку из полированного стекла. При этом, находясь на стене, гекконы могут поддерживать вес тела всего одной лапкой. Альпинисты могут только позавидовать таким трюкам. Оказалось что эта удивительная способность геккона каким-то образом связана с нанотехнологиями. Я задался вопросам, почему гекконы не падают, что помогает им удерживаться на поверхности и что общего у геккона и нанотехнологий?
Цель работы - выяснить причину способности геккона удерживаться на любых вертикальных поверхностях, а также найти связь между гекконами и нанотехнологиями.
Объект исследования – поверхность лапы геккона.
Предмет исследования – применение способности гекконов удерживаться на любой поверхности в нанобиотехнологии.
Проблема: что может быть общего у геккона и нанотехнологий.
Гипотеза – создание высокотехнологичных наноматериалов основывается на особенностях строения лапок геккона.
Задачи:
1. изучить научную литературу по данной проблеме;
2. провести анкетирование среди одноклассников, выяснить, насколько актуальна тема проекта;
3. узнать, кто такой геккон и чем он уникален;
4. рассмотреть строение лап геккона и механизм, который помогает ему удерживаться на вертикальных поверхностях;
5. выяснить, что такое нанотехнологии и зачем они нужны;
6. найти информацию о « геккеле» и других материалах будущего;
Методы исследования:
1. Поисковый;
2. Анализ;
3. Анкетирование.
Практическая часть
Актуальность темы среди одноклассников
Я считаю данную тему актуальной, так как в последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Ученые утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом. Поэтому я предположил, что данная тема интересна не только мне, но и многим ребятам. Чтобы убедиться в этом, я решил провести анкетирование среди своих одноклассников. Были опрошены 23 человека. Анкета содержала следующие вопросы:
1.Знаете ли вы кто такие гекконы и что такое «эффект геккона»?
Ответы были следующими:
а) тропические ящерицы, способные передвигаться по гладким вертикальным поверхностям- 23 ученика
в) морские животные, способные издавать звуки на частоте 52 Гц –
0 человек
с) ядовитое насекомое -0 человек
2.Знаете ли вы что такое нанотехнологии?
а) да -19 учеников
в) нет- 4 ученика
3.Что означает слово «нано»?
а) одну девятую часть - 3 ученика
в) одну сотую часть – 5 учеников
с) одну миллиардную часть -15 учеников
4 .Какие ученые занимаются изучением и созданием наноматериалов:
а) философы и филологи- 4 ученика
в) социологи и экономисты-1ученик
с) физики, химики, биологи и специалисты по компьютерным наукам-17 учеников
1 ученик считает, что это нанотехнологи
5.Как вы думаете, есть ли что-то общее у геккона и нанотехнологий?
а) да, есть-15 учеников
в) нет, ничего общего- 0
с) не знаю – 8 учеников
6.Лапки геккона покрыты:
а) миллионами волосков, расщепленных на миллиарды нановолокон – 16 учеников
в) сотнями крошечных шишечек- 4 ученика
с) ничем не покрыты, совершенно гладкие – 3 ученика
7.Существует ли робот, способный самостоятельно передвигаться по гладким стенам и даже потолку?
а ) да, существует - 19 учеников
в) нет, не существует – 2 ученика
с ) только в фантастических фильмах- 1 ученик
8.Интересна ли вам эта тема?
а) да -19 учеников
в) нет – 4 ученика
Результаты анкетирования показали, что все ребята в классе знают, что гекконы, это тропические ящерицы, способные передвигаться по гладким вертикальным поверхностям. Большая часть класса, 19 человек знает, что такое нанотехнологии. 15 человек дали правильный ответ на вопрос что означает слово «нано» (одна миллиардная часть). 17 человек правильно считают, что изучением и созданием наноматериалов занимаются физики, химики, биологи и специалисты по компьютерным наукам. 15 учеников считают, что у геккона и нанотехнологий есть что-то общее, и 8 человек не знают ответа на данный вопрос. 16 ребят ответили правильно на вопрос «чем покрыты лапки геккона?» (миллионами волосков, расщепленных на миллиарды нановолокон). Большинство класса, 19 человек считают что робот, способный самостоятельно передвигаться по гладким стенам существует. Такое же количество ребят (19 человек) считают данную тему интересной. Таким образом, я делаю вывод, что моя гипотеза о том, что данная тема интересна моим одноклассникам, подтвердилась.
Глава I. Геккон: ящерица, способная бегать по потолку.
Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло. Экстраординарная способность гекконов оставалась загадкой со времен Аристотеля, который наблюдал за ними еще в IV столетии до н.э. Секрет прилипания гекконов стал темой для многих научных исследований.
Пальцы геккона прилипают практически к любому материалу (металл, древесина, стекло, гранит) при любых условиях (даже под водой или в вакууме), и при этом они никогда не загрязняются, не изнашиваются и не прилипают случайно к ненужным местам. Просто фантастика, не правда ли?
Объяснение этих способностей геккона оказалось настоящим вызовом для ученых, а поиск разгадки занял почти 100 лет. У гекконов нет желез, выделяющих секрецию, так что теория о клейких веществах отпала изначально.
Предлагалось несколько объяснений:
Присасывание? Присоски работают за счет того, что давление воздуха на одной стороне не уравновешивается, если на другой стороне есть вакуум. Лапки геккона могут прилипать к поверхности в вакууме, где нет давления воздуха, поэтому присасывание не может быть объяснением.
Электростатическое притяжение? Оно возникает между электрически заряженными объектами, например, между пластмассовой расческой, потертой тканью и маленькими кусочками бумаги. Но когда ученые создали условия, при которых любой заряд исчезал, лапки геккона все равно прилипали.
Трение? Но кератин - белок, который вырабатывается в коже, - слишком "скользкий". К тому же, трение не может объяснить передвижения по потолку.
Сцепление между шероховатыми поверхностями? Но гекконы могут прилипать даже к полированному стеклу.
Глава II. Физика в мире животных: лапа геккона
Эти ящерицы могут перемещаться, таким образом благодаря растопыренным ступням, похожим на ладони. У гекконов на пальцах есть маленькие гребни, покрытые тонкими волосками (щетинками). Волоски, в свою очередь, расщепляются на миллиарды нановолокон. Нановолокна способны легко цепляться за поверхность и так же легко отделяться от нее. Поэтому бег геккона по наклонной поверхности кажется свободным и стремительным.
В конечном итоге, ученые установили, что благодаря близкому контакту щетинок на лапках с поверхностью гекконы используют связи ближнего взаимодействия между молекулами, т.е. они прилипают посредством сил Ван-дер-Ваальса, названных так в честь голландского физика конца XIX века. Эта сила действует на очень маленьких расстояниях (между молекулами) и резко уменьшается при увеличении расстояния между поверхностями. Она начинает действовать только тогда, когда поверхности максимально близко приближаются друг к другу. Эти же силы заставляют слипаться два куска стекла, если их прислонить один к другому, по той же причине прилипают к различным предметам микроскопические блестки-глиттеры, благодаря им существует такое сложное явление, как силы поверхностного натяжения, позволяющие предметам держаться на поверхности воды и существовать мыльным пузырям.
В основе ван-дер-ваальсовых сил лежит кулоновское взаимодействие между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между ними силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Но чтобы такая слабая сила удерживала геккона на вертикальной стене, необходима огромная площадь близкого контакта между лапкой геккона и поверхностью.
Такую возможность обеспечивает сложнейшее строение лапок геккона. Используя электронный микроскоп, ученые изучали геккона Токи. Они обнаружили на его пальцах очень тонкие волоски (щетинки) длиной всего 100 микрометров, или 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Они очень плотно размещены3 - до 14400 щетинок на 1 мм2, или около 1,5 миллиона на см2. Однако это еще не все. Каждая щетинка, в свою очередь, на конце расходится в 400-1000 ответвлений. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой. Эти лопаточки невероятно крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). Только задумайтесь над этими цифрами: каждая лапка геккона площадью контакта чуть больше 1 см2 может прикасаться к поверхности двумя миллиардами окончаний! Просто очевидное невероятное!
Чтобы разместить такое же количество человеческих волос с плот-ностью средней шевелюры, потребовалась бы площадь целого футбольного поля. Обычная лапка имела бы намного меньшую площадь близкого кон-такта, и лишь в отдельных местах молекулы лапки очень близко прибли-жались бы к поверхности. А особенная лапка геккона, благодаря плотному размещению щетинок и их разделению (на конце) до тысячи разветвлений, имеет в миллионы раз большую площадь близкого контакта, а значит, и силу прилипания (силы Ван-дер-Ваальса). Именно дизайн (геометрия), а не химический состав поверхности, позволяет геккону удерживаться даже на потолке.
При помощи специальных инструментов исследователи из нескольких американских университетов установили, что поверхность ступни геккона Токи площадью 1 см2 способна вырабатывать силу сцепления в 10 Ньютон (что соответствует 1 кг веса).
Но оказалось, что одна щетинка имеет силу притяжения в 10 раз больше, чем ожидалось, и достаточно крепка для удержания целого муравья. Теоретически, 6 миллионов щетинок геккона могут генерировать силу, достаточную для удержания навесу двух человек.
Это говорит о том, что геккону достаточно использовать всего пару процентов своих щетинок для удержания на поверхности. Такой потенциал жизненно важен ему в природной среде обитания: на неровных загрязненных поверхностях, во время тропических штормов и т.д.
Но как же при такой силе сцепления геккон отрывает свою лапку? Обладание подобной конечностью было бы бессмысленным, если бы геккон мог только прилипать - ему нужно также быстро отлипать. Поэтому еще более удивительной и впечатляющей является способность геккона прилеплять и отлеплять лапку от поверхности целых 15 раз в секунду!
Оказывается, сила прилипания изменяется в зависимости от угла между щетинкой и поверхностью. Сила взаимодействия будет намного больше, если щетинки слегка прижать к поверхности, а затем протянуть, уменьшив угол (геккон это делает, когда ставит лапку).Щетинка может открепляться под углом более 30°. Геккон управляет "прилипанием" и "отлипанием", используя необычайно сложное поведение, которое, однако, происходит без существенных затрат энергии. Еще одно интересное свойство заключается в том, что лапки геккона самоочищаются, в отличие от клейкой ленты, на которую быстро налипает грязь, приводя ее в полную негодность. Исследователи до сих пор пытаются понять, как геккону это удается.
Глава III. Что такое нанотехнологии
В последнее время можно часто слышать слово «нанотехнологии». Если спросить любого ученого, что это такое, и для чего нужны нанотехнологии , ответ будет краток: «Нанотехнологии изменяют привычные свойства вещества. Они преображают мир и делают его лучше». Ученые утверждают, что нанотехнологии найдут применение в очень многих областях деятельности: в промышленности, в энергетике, в исследованиях космоса, в медицине и во многом другом.
Например, крохотные нанороботы, способные проникнуть в любую клетку человеческого организма, смогут быстро лечить те или иные болезни и производить такие операции, которые не под силу даже самому опытному хирургу. Благодаря нанотехнологиям появятся «умные дома». В них человеку практически не надо будет заниматься скучными бытовыми хлопотами. На себя эти обязанности возьмут «умные вещи» и «умная пыль». Люди станут носить одежду, которая не пачкается, более того, сообщает хозяину, что, например, пора обедать или принять душ. Нанотехнологии позволят изобрести компьютерную технику и мобильные телефоны, которые можно будет складывать, как носовой платок, и носить в кармане. Словом, учёные-нанотехнологи действительно намерены существенно преобразить жизнь человека.
Что же такое нанотехнологии? И как именно они позволяют менять свойства вещей? Слово «нанотехнологии» состоит из двух слов -«нано» и «технологии». «Нано» - греческое слово, означающее одну миллиардную
часть чего-нибудь, например, метра. Размер одного атома немного меньше нанометра. А нанометр настолько меньше метра, насколько обыкновенная горошина меньше земного шара. Если бы рост человека был один нанометр, то толщина листа бумаги показалась бы человеку равной расстоянию от Москвы до города Тулы, а это целых 170 километров!
Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку.
А нанотехнологии – это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов. Учёные договорились считать наночастицами все, что имеет размер от одного до ста нанометров. Нанотехнологии начали бурно развиваться тогда, когда появился электронный микроскоп, и люди смогли увидеть наночастицы.
Потом был создан сканирующий зондовый микроскоп, и учёные смогли наночастицы «пощупать».
А сегодня с помощью зондового микроскопа исследователи могут не только изучать поверхность наночастиц, но и определять их состав и расположение атомов в наночастицах, и даже перемещать с места на место единичные атомы и молекулы.
В 1991 году были открыты углеродные нанотрубки, наночастицы с удивительным строением и уникальными свойствами. Углеродные нанотрубки – это наночастицы, состоящие из миллиона атомов углерода, расположенных в форме полой трубки. Толщина стенки такой трубки равна одному атому углерода. Открытие нанотрубок позволило учёным создавать на их основе множество самых разных наноинструментов, например: наноскальпель, наношприц, нанотермометр, нанопинцет и нановесы.
Первым из таких инструментов стал нанопинцет, состоящий из двух углеродных нанотрубок. Ими, как китайскими палочками, он может подцеплять и перемещать крупные молекулы.
Затем были произведены самые чувствительные в мире нановесы, с помощью которых можно взвесить одну молекулу, что очень важно при создании новых материалов из атомов и молекул. Компьютерные программы позволяют получить на экране монитора объёмную модель, которую можно поворачивать во все стороны и смотреть, как изменится состояние модели при повышении или понижении температуры, давления или электромагнитного поля. Компьютерные программы учитывают все законы наномира. Наноинструменты и программы компьютерного моделирования учёные постоянно используют в своей работе, и именно с их помощью создаются новые наноматериалы и наноустройства.
Глава IV. Чему можно научиться у геккона
Существует целый раздел науки — бионика (от греч. bion - элемент жизни, буквально - живущий). Бионика занимается созданием материалов, технологий, процессов и устройств, в основе работы которых использованы идеи, заимствованные у природы.
Бурное развитие нанотехнологий в последние десятилетия послужило толчком к тому, что бионика занялась созданием уникальных материалов. Благодаря новым возможностям электронной микроскопии и прогрессу в области получения и производства наноструктур, у учёных наконец-то появилась возможность воспроизводить с той или иной долей приближения строение, а значит, и свойства некоторых природных материалов, обладающих полезными, а зачастую и уникальными характеристиками.
Система, которой природа снабдила гекконов, очень эффективна, и ученые считают, что вскоре она может найти применение, например в тормозных системах автомобилей. Шины, усеянные углеродными нанотрубками, заменяющими волоски, могут появиться уже в ближайшие десять лет. Тормозной путь у машины с такой системой намного сократится.
Исследователи работают и над созданием специальных перчаток и ботинок, которые помогут людям передвигаться, подобно гекконам, по вертикальным и наклонным поверхностям. Такое снаряжение станет незаменимым у альпинистов, спасателей и всех, кто связан с работой на высоте, «Человека-паука», который с легкостью взбирается на крышу здания по стене, можно будет увидеть на улице, а не только в играх или кино.
Ученые также создали робота, способного самостоятельно передвигаться по гладким стенам и даже стеклу, как геккон. Конечности робота покрыты крошечными щетинками, которые и удерживают его на вертикальной поверхности.
Вот только у геккона, чудо-перчаток с чудо-ботинками, да и у робот есть один недостаток. Если поместить их в воду, они теряют свою чудесную «прилипчивость». Для геккона это не беда, а вот для человека проблема большая - дождь и снег не должны мешать работе новых устройств.
Тут ученые обратили внимание на мидий. Эти двустворчатые моллюски липнут ко всевозможным предметам под водой-к скалам, к другим ракушкам, к песку. Мидии выделяют особое вещество, которым жёстко прикрепляются к любым поверхностям под водой. Но мидиевый клей фиксирует поверхности очень крепко, в таких липких ботинках не побегаешь.
И тогда ученые решили соединить клей мидий со способом передвижения геккона. Была изготовлена матрица из крошечных кремниевых столбиков толщиной 400 нанометров и высотой 600 нанометров. Матрицу разместили на крошечном кусочке гибкой ленты. Получился скотч, работающий по «системе геккона». Исследователи покрыли эти столбики слоем мидиевого клея. Получился новый материал, который назвали «гекель» (geckel- от английских слов gecko- «геккон» и mussel- «мидия»).
Ученые уверены, что этот материал вскоре будет применяться в самых разных областях человеческой деятельности. Особенно он пригодится в медицине при создании совершенно нового типа пластырей.
Заключение
Людям свойственно стремление подражать природе и учиться у неё. Тому есть множество примеров из разных эпох — от восковых крыльев Икара, чешуйчатых доспехов римских легионеров или летательных машин Леонардо да Винчи до современных застёжек-липучек, работающих по принципу прилипания колючек репейника, которые позволяют быстро застегнуть курт-ку или кроссовки. Изучая материал по данной теме, я разгадал «загадку гек-кона» и выяснил, что же помогает ему удерживаться на любых вертикальных поверхностях. Я выяснил, что существует связь между гекконами и нано-технологиями. Я узнал о том, что такое «нанотехнологии» и зачем они нужны. Таким образом, моя гипотеза о том, что знание о механизме строения лапок геккона, можно использовать при создании современных высоко-технологичных наноматериалов, подтвердилась.
Вывод:
геккон может бегать по потолку, божья коровка способна без труда передвигаться по гладкому оконному стеклу. Таких примеров еще множество. Природа наделила этих существ особой техникой сцепления с поверхностью. Человек, благодаря изобретению сверхмощных электронных микроскопов, может заглянуть вглубь природы, изучить ее уникальные свойства и использовать их в своих целях. Бионика - это технология будущего. Чем глубже ученые проникают в микроскопические разделы природного мира, тем больше секретов они узнают. Чем дальше продвигается вперед нанотехника, тем проще ученым имитировать существующие в природе мельчайшие структуры
Список использованной литературы:
1. Занимательные нанотехнологии/ М.М. Алфимова. – М.:
Парк-медиа: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015.-96с.: ил.
Интернет-ресурсы:
http://www.origins.org.ua/page.php?id_story=409
https://www.gazeta.ru/science/2008/01/31_a_2616460.shtml?updated
http://popnano.ru/analit/index.php?task=view&id=132
http://n1.by/news/2011/11/02/194973.html
http://mfina.ru/nanotexnologii
http://www.saitzemli.ru/article/gekkon
http://www.nanonewsnet.ru/news/2016/fizika-v-mire-zhivotnykh-lapa-gekkona
Просмотров работы: 469
Выдающиеся способности гекконов объяснили другими силами
Удивительная способность гекконов без труда ползать по абсолютно гладким поверхностям объясняется простыми физическими законами. Их умение цепляться есть результат явления контактной электризации, а вовсе не действия вандерваальсовых сил, как полагалось ранее. К такому выводу пришли учёные из университета Ватерлоо в Канаде, которые изучали электростатические взаимодействия между ногами ящерицы и двумя типами различных поверхностей.
Гекконы обладают уникальной структурой лап. Каждая из их стоп покрыта слоями микроскопических, похожих на волоски структур, которые разделяются на ещё более мелкие щетинки. В силу их малого размера щетинки образуют очень плотный контакт с любой, даже совершенно гладкой поверхностью. Каждый волосок способствует лишь небольшому притяжению, но вместе они производят комбинированную силу сцепления около 10 Ньютонов для каждой лапки, что позволяет гекконам висеть на потолке, прикрепившись всего одной ногой.
Согласно общепринятой теории, притяжение является результатом так называемых вандерваальсовых сил. Это слабые диполь-дипольные силы, действующие между соседними атомами и молекулами в результате перераспределения концентрации электронов.
Чтобы проверить справедливость данной теории, Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) и его коллеги изучали на микроскопическом уровне способности геккона к прилипанию к любым поверхностям. Они обнаружили, что эффект контактной электризации возникает когда два материала (ноги и поверхности) соприкасаются и обмениваются электрическими зарядами. Результатом является чистый отрицательный электростатический заряд у одного материала и положительный заряд у другого, что вызывает силу притяжения между ними.
Гекконы способны ползать по абсолютно гладким поверхностям
В рамках эксперимента физики измерили электрические заряды и адгезионные силы, возникающие при соприкосновении лап геккона с двумя типами полимерных поверхностей — одна из тефлона AF и другая из полидиметилсилоксана. В обоих случаях при контакте лапы геккона оказывались положительно заряженными, а поверхности, соответственно, приобретали отрицательный заряд.
Кроме того, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда, который был сгенерирован. Несмотря на то, что тефлоновая поверхность имеет меньший потенциал для генерации вандерваальсовых сил, именно с ней у геккона получилось создать наибольшее сцепление. Это, по мнению исследователей, говорит о том, что именно контактная электризация играет основную роль в способности гекконов к адгезии. Результаты исследования были описаны в статье, опубликованной в издании Journal of the Royal Society Interface.
Данное открытие является первым за 80 лет опровержением общепринятой теории о том, что электростатические взаимодействия не имеют отношения к "липкости" лап геккона. Пенлидис и его коллеги считают, что их исследование берёт начало ещё в 1934 году, когда немецкий учёный Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) проводил свой собственный эксперимент.
Природа снабдила лапы геккона особыми щетинками, создающими ультратесный контакт с поверхностью
Тогда физик использовал ионизированный воздух, который нейтрализовал бы электростатические взаимодействия, и направил его в сторону лап геккона, привязанного к металлической поверхности. Однако действие воздуха не возымело никакого влияния на способности животного. Пенлидис объясняет, что наблюдения Деллита соответствует их заключению, поскольку контакт между щетинками и поверхностью насколько тесен, что ионизированные молекулы в воздухе просто оказываются не в состоянии проникнуть между ними, чтобы нейтрализовать взаимодействие.
В связи с этим открытием остаются без ответа пока только два вопроса: как геккон удерживается на более грубых и неровных поверхностях и почему в процессе эволюции эти животные приобрели столь необычную способность. Первым вопросом Пенлидис и его коллеги обещали заняться в ближайшее время, но на второй смогут ответить только биологи.
Также по теме:
Гекконы справляются с мокрой поверхностью, пока не промочат ноги
Физикам удалось напрямую измерить вандерваальсовы силы
Геккон вдохновил учёных на создание перчаток, помогающих штурмовать любые стены
Зоологи объяснили способность пауков ползать по любой поверхности
Новый пластырь позволит людям ходить по стенам
Физика в мире животных: лапа геккона
Гекконы — обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность — они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой — дерево, скальная порода, даже полированное стекло.
На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в «альпинизме».
Присоски на пальцах.
Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.
Электростатика. Еще одно правдоподобное объяснение, которое удалось опровергнуть (хотя есть и некоторые подтверждения этой теории, о них поговорим ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.
Фото: Wikimedia
Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.
Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.
Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.
Фото: wikipedia
С появлением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех деталях. Как оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составляет до сотни микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм2. Каждая щетинка, в свою очередь, не является монолитным образованием, а делится на конце на 400–1000 еще более мелких волокон. Толщина таких волокон составляет 0,2 мкм. На 1 см2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.
а. Лапка геккона б. «Подушечка» пальца геккона под микроскопом в. Одна из щетинок лапы геккона г. Она же, под бОльшим увеличением д. Максимальное увеличение щетинки. (фото: somuchnews)
Американские ученые выяснили, что сила сцепления лапы геккона токи составляет 10 Ньютон на 1 см2. Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идет о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов — скалы, деревья, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого достаточно для удержания животного на месте.
Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил.
Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.
Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство — гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.
Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.
Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?
Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный — у поверхности.
Пенлидис ставил эксперимент с двумя типами полимерных поверхностей — тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. Согласно выводам, сделанным ученым по результатам исследования, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда лапы и поверхности. А из этого следует, что именно электрический заряд играет главную роль в сцеплении лапы с поверхностями.
Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос — каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления — и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.
Влияние воды
В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.
Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.
По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут закрепиться на поверхности.
Не только лапы
В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.
Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему — происхождение этого механизма в процессе эволюции.
«Гекконовый скотч»
С тех пор, как механизм работы лапок геккона в целом стал понятен, люди пытаются воcпроизвести его искусственно. В частности, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, позволяющее человеку с массой 122 кг (масса тела + полезная нагрузка) взобраться на стеклянную отвесную стену на высоту в 7,6 м. Инженер из Стэнфорда создал робота, который может взбираться по практически отвесным гладким поверхностям. Манипуляторы робота тоже созданы по образцу лапы геккона. А специалисты из Пенсильванского университета разработали новый тип высокоточного захвата, который можно использовать на производстве для работы с мелкими деталями. Ведется и разработка сверхклейкого скотча, который может выдержать много циклов использования и поверхность которого не загрязняется при длительном использовании. В NASA разработали специальное крепление, которое можно использовать как условиях Земли, так и в условиях невесомости в космосе. Оно позволяет крепить грузы к поверхностям при помощи специальной «липучки», созданной по образу и подобию поверхности лапки геккона.
Какая сила позволяет гекконам бегать по потолку? - Дай лапку
Ученые обнаружили неизвестную прежде силу, которую используют гекконы, чтобы бегать по стенам и потолку. Сверхъестественные способности у ящерок появляются за счет электричества.
Гекконы уже 100 лет не дают покоя ученым, которые предпринимают одну попытку за другой разгадать их секреты. И понять, каким образом эти ящерки, которые караулят у ламп и фонарей в тайских ресторанчиках прилетающих на свет мелких насекомых, бегают по стенам и потолкам. В том числе и по ровным, как стекло. Да и по самому стеклу. Ведь не мухи же - не миллиграммы весят, а десятки граммов.
Сначала думали, что гекконы выделяю клейкое вещество. За счет него и прилипают. Нет, клей оказался не при чем. Потом предполагали, что на лапках есть присоски. Но они не нашлись. Грешили даже на магнитные свойства гекконов. Но и эта смелая гипотеза не подтвердилась.
В конце-концов ученые договорились: ящеркам не дают упасть со стен и потолков две силы. Первую - создают так называемые ван-дер-вальсовые силы, которые способствуют сцеплению между атомами и молекулами и возникают между объектами, находящимися близко друг к другу так, что они начинают притягиваться.. Конкретно у гекконов за притяжение якобы отвечают микроскопические ворсинки, которыми усеяны подошвы лапок.
Ван-дер-вальсовым силам вроде бы помогают капиллярные - те, которые заставляют жидкость подниматься по тонким трубочкам. За эту - вторую силу - отвечают влажные ворсинками, контактирующие с поверхностью. В результате 50-граммовая ящерка способна удерживать лапками груз весом до 2 килограммов. Если бы человек обладал такой особенностью, то поднимал бы 2 тонны.
Однако недавно выяснилось: геккон использует еще и третью силу. Ее обнаружили канадские ученые из Университета Ватерлоо (University of Waterloo in Ontario, Canada) под руководством Александра Пенлидиса (Alexander Penlidis). Третья сила - электрическая. Точнее, электростатическая, которая возникает в результате перемещения электронов с одной поверхности на другую. За счет нее к пресловутой эбонитовой палочке, потертой о рукав, прилипают кусочки бумажки.
И геккон прилипает к отрицательно заряженной поверхности - притягивается, потому что каким-то образом заряжает свои лапки положительно. Ученые определили это, измеряя заряд лапок геккона с помощью особых датчиков из силиконовой резины (PDMS), по которым ящерки бегали.
Геккон на испытаниях.
Фото: University of Waterloo
Далее, зная заряд, исследователи подсчитали силу притяжения геккона к поверхности. И она, по их словам, оказалась равной той, которую надо приложить, чтобы отлепить лапку от поверхности. Получилось, что эта "третья сила", возможно, первая и единственная.
Коллеги Пенлидиса считают его открытие интересным. И не исключают того, что все-таки сила электростатического притяжения доминирует, когда гекконы находятся на воздухе. Но они столь же проворно передвигаются и по вертикальным поверхностям, погруженным в воду. А там электростатика не работает. Значит, действует что-то другое. Может быть, как раз те самые ван-дер-вальсовые силы и капиллярные. Загадки остаются.
Лапка геккона
Фото: University of Waterloo
А как геккон отлипает?
Ворсинки на лапке геккона
Фото: University of Waterloo
Возможно, ученые нашли уже все силы, благодаря которым гекконы прилипают к поверхности. Но как они от нее отлипают? Ведь каждая лапка бегущей по стене ящерки отталкивается от нее и снова притягивается по 15 раз в секунду.
Есть гипотеза, что геккон отрывает лапку от стены или потолка, каким-то образом выключая силу притяжения. При этом вроде бы меняется угол между щетинкой и поверхностью - становится меньше 30 градусов. Но так ли это? И какая сила при этом меняется - первая, вторая, третья? Или все разом? Четкого ответа на эти вопросы до сих пор нет.
Ученые интересуются гекконами не только ради развлечения. Постигнув их тайны, можно создать устройства, которые позволили бы и людям передвигаться по стенам. Например, в особых перчатках, имитирующих лапки ящерок. Но пока такие устройства появляются лишь в фантастических фильмах.
Интересные факты про гекконов - Всё самое интересное в одном журнале — ЖЖ
Гекконы – это очень необычные ящерицы, соединившие в себе все лучшее от искусства адаптации и биоразнообразия. На нашей планете обитает около 5600 видов ящериц, и свыше 1500 из них представлены инфраотрядом гекконообразных. Но что же такого интересного в столь распространенной группе ящериц?1. Гекконы бывают очень разных размеров. Jaragua sphaero – один из самых небольших видов этого инфраотряда, и вырастает он в длину не более, чем на 2 сантиметра. Однако некоторые гекконы вырастают до целых 60 сантиметров в длину. Увы, самая крупная в истории наблюдений особь относится к ныне вымершему виду. Эта удивительная ящерица когда-то обитала в Новой Зеландии и называлась Hoplodactylus delcourti.
2. Большинство видов гекконов – ночные животные. Они прекрасно ориентируются в темноте благодаря специальным линзам в их радужках, которые увеличиваются в темное время суток, что делает их глаза в 350 раз более чувствительными к свету, чем глаза людей.
3. Название этого инфраотряда происходит от слова из малайского языка, и звучит оно примерно как «джекок». Впрочем, даже в этом языке это не совсем настоящее слово, а скорее подражание звукам, которые гекконы издают при встрече со своими сородичами.
4. У гекконов нет век. Вместо этого у них есть прозрачные мембранные оболочки, защищающие их глаза. Для поддержания чистоты гекконы облизывают эти мембраны своим длинным язычком. Ученые толком не знают, насколько чувствительны глазные мембраны, и ощущается ли прикосновение языка. Впрочем, если бы это было больно, вряд ли бы гекконы так делали.
5. В целях самозащиты большинство гекконов имеет обыкновение отбрасывать хвост. Научное название столь эффектного защитного механизма – автотомия, что с греческого переводится примерно как самоампутация. Многие думают, эти ящерицы теряют свои хвосты только потому, что хищники чаще всего ловят их именно за эту длинную конечность. Хвост – конечно же, вполне удобная цель для голодного неприятеля, но главная цель автотомии – это отвлечение внимания хищника. Все дело в том, что даже после самоампутации хвост продолжает дергаться, и геккон может воспользоваться этим, чтобы убраться подальше, пока прожорливый охотник на время сбит с толку.
6. Большинство гекконов сбрасывает хвост, только если за него дернуть, но некоторые виды этого инфраотряда, на которых чаще всего нападают муравьи, способны избавиться от этой части тела самостоятельно. Хвост обычно отрастает заново, что довольно типично для ящериц. Однако новый отросток уже не будет похож на прежний, поскольку он обычно состоит из хрящей, и в нем уже не бывает костей, как в самом первом хвосте.
7. Когда геккон сбрасывает хвост, он нередко возвращается за ним назад. Если хвост остается нетронутым, геккон его обязательно съедает, поскольку эти животные запасают в своих хвостах питательные вещества на голодные времена.
8. В отличие от многих других животных, гекконы прекрасно уживаются с людьми. В теплых странах появление геккона в доме даже считается хорошей приметой. Тем более что эти ящерицы еще и полезные сожители, ведь они питаются разными нелюбимыми нами насекомыми, включая комаров.
9. У гекконов очень цепкие и сильные лапки. Их способность лазать по самым гладким стенам и даже по потолкам издавна поражала людей. Главное – чтобы плоскость была как можно более гладкой.
10. Гекконы буквально прилипают к стенам и потолкам благодаря так называемым ван-дер-ваальсовым силам. Эти силы связаны с межмолекулярным и межатомным взаимодействием лапок ящерицы и поверхности, по которой она передвигается.
11. Гекконы вырабатывают специальную жидкость, которая также помогает им ловко бегать по стенам. Железы этих ящериц в любой момент способны выделять и впитывать обратно в свой организм особенный секрет, и происходит это в зависимости от качества поверхности, на которой они находятся. Эта жидкость как раз и позволяет проворным ящерицам так умело прилипать к вертикальным плоскостям.
12. Оказывается, гекконы просто не переносят тефлон, поскольку для этого полимера характерно низкое поверхностное натяжение, а для гекконов это становится серьезным препятствием во время лазания. Им попросту сложно прилипать к тефлоновым покрытиям. К счастью, в их естественной среде обитания с этим материалом гекконы практически не встречаются.
13. Пальчики гекконов покрыты микроскопическими кожистыми отростками, которые обычно называют волосками или щетинками. Самые крупные из них можно увидеть невооруженным взглядом, но на них в свою очередь растут крошечные щетинки размером с нанометр. Эти волоски играют важнейшую роль в лазании гекконов по гладким вертикальным поверхностям.
14. Как вы уже сами убедились, гекконы бывают очень разных размеров и расцветок. Некоторые из них даже умеют менять цвет своей чешуи или просто становятся светлее по ночам.
15. Гекконам свойственен партеногенез (девственное размножение). Это значит, что если самка геккона попадет в среду, где нет других гекконов, она сможет отложить яйца с жизнеспособным потомством без спаривания с самцом. Однако появившиеся из этой кладки гекконы обычно отличаются скудным генотипом, из-за чего они обычно живут меньше своих сородичей и более уязвимы перед лицом различных болезней.
16. Гекконы сбрасывают старую кожу, причем довольно часто. Они делают это с определенной периодичностью, особенно когда живут неподалеку от водоема. Пятнистый леопардовый эублефар сбрасывает кожу каждые 2-4 недели. Кстати, гекконы предпочитают не оставлять после себя никаких отходов, поэтому они съедают даже собственную омертвевшую чешую. Это особенно оправданно тем, что в ней, как и в хвосте, хранятся питательные вещества.
17. Лопастехвостого геккона еще иногда называют летающим гекконом или гекконом-парашютистом. Эти ящерицы мастерски овладели искусством маскировки и научились буквально сливаться с корой деревьев, но это еще не самый их интересный эволюционный навык. Складки кожи вдоль всего тела, а также перепончатые лапки и хвост позволяют этому виду практически планировать по воздуху. Лопастехвостый геккон может пролететь таким образом до 60 метров, а у самой земли он прекрасно группируется и совершает мягкую посадку.
18. В инфраотряде гекконообразных существует 7 отдельных семейств. Одно из них представлено очень необычной группой под названием чешуеноги или змеевидные ящерицы. У этих созданий продолговатые тела, нет передних конечностей, а задние сильно редуцированны и чаще выглядят как коротенькие придатки. Они очень сильно похожи на обычных змей, но таковыми не являются. Во-первых, язык у этих гекконов не раздвоен, и, во-вторых, у них есть наружные ушные отверстия, пускай и едва заметные.
19. На сегодняшний день самая многочисленная группа гекконообразных – это семейство гекконовых (Gekkonidae). В него входит свыше тысячи видов ящериц, а ведь это почти две трети всего инфраотряда. Вдобавок они еще и самые известные среди людей, особенно азиатский полупалый геккон (Hemidactylus frenatus), так часто заползающий в дома по всему миру.
20. И в заключение для потенциальных фанатов гекконов
Инкубационный период созревания яиц гекконов длится от 40 до 60 дней. После появления на свет нужен еще целый год на взросление выводка, прежде чем юные геккончики будут готовы для спаривания. Средняя продолжительность жизни этих ящериц – около 10 лет, но некоторые виды живут и до 20. Самым старым гекконом, прожившим в неволе, оказался 27-летний красавец, довольно долго не спешивший на тот свет. В общем, заводить таких питомцев – очень ответственный выбор, ведь живут они не меньше некоторых собак и кошек, а порой и дольше.
источник
Как гекконам удается бегать по стеклу
Уже давно люди были удивлены и зачарованы этой способностью. Не удивительно, что из-за этого возникли многочисленные мифы о гекконах. Интересно, что два из них совершенно противоположны. Согласно одному из них, животные почитались в качестве добрых домашних духов, приносящих счастье или плодородность, как токи (токей, Gekko gecko) в некоторых регионах Юго-Восточной Азии.
Согласно другому представлению, их боялись и считали ядовитыми, как, например, в Юго-Восточной Европе. Например, научное название Tarentola является производным от ядовитых тарантулов. Hemidactylus turcicus называется там Tarantella (тарантул). В некоторых областях Мадагаскара Uroplatus называют чертом. Если ранним утром находят уснувшего Uroplatus на одной из хижин, ее сжигают.
Многочисленные ученые пытались объяснить эту особенность гекконов. Но лишь Hiller (1968) смог с использованием электронного микроскопа исследовать микроструктуру прикрепительных ворсинок и затем с помощью опытов показать и объяснить функционирование прикрепительного механизма.
Ворсинки состоят, как и эпидермис, из отмерших кератиновых клеток и располагаются на прикрепительных подушечках плотно одна к другой, как волосы. При виде сверху прикрепительные ворсинки тянутся черепицеобразно через всю прикрепительную подушечку. При этом кончики отдельных ворсинок никогда не перекрываются предшествующими, а всегда оказываются свободными. Кончики прикрепительных ворсинок специфически изогнуты по направлению предплюсны животного.
Разнообразие пальцев гекконов позволяет провести их грубую классификацию по родам:
a) Anstelliger lar,
b) Gekko vitatus,
c) Cyrtodactylus brevipalmatus,
d) Oedura marmorata,
e) Pseudothecadactylus lindneri,
f) Hemidactylus garnotii.
Только при сильном увеличении под электронным микроскопом распознают их фактическое строение. Становится видно, что прикрепительные ворсинки с краю многократно расщеплены, причем расщепления заканчиваются не единообразно, а на различном расстоянии, где производится их последнее расчленение в оконечные структуры.
Эти оконечные структуры всего лишь 0,2 микрометра шириной. На конце все они имеют пластинчатое утолщение от 0,2 до 0,3 микрометра с легким углублением в середине. Оконечные пластинки находятся почти все на одном уровне, из-за изгиба ворсинок они расположены почти вертикально к продольной оси пальцев.
Вопрос в том, как гекконы прикрепляются и почему прикрепительные ворсинки имеют такое сложное строение? Ответ опытным путем нашел Hiller. При этом он наблюдал гекконов при их движении вверх по разным субстратам, имевшим различное поверхностное натяжение. Он твердо установил, что прикрепительные возможности геккона возрастали пропор-ционально к поверхностному натяжению, что значило, что прикрепительный механизм функционировал в соответствии с физическим принципом адгезии (сцепления).
Фотография лапки геккона. © Kellar Autumn, http://www.lclark.edu/~autumn/dept/Welcome.html
http://www.origins.org.ua
| Фотография щетинок геккона. Плотность размещения на пальцах достигает 14400 щетинок на 1 мм2 или около 1,5 миллиона на см2 . | Фотография одной щетинки геккона. Ее длина составляет всего 100 микрометровили 0,1 миллиметра (две толщины человеческого волоса). Каждая щетинка на конце разветвляется в 400-1000 ответвлений для увеличения площади близкого контакта с поверхностью. | Фотография ответвления на конце щетинки. Каждое ответвление заканчивается на конце треугольной лопаточкой. Эти лопаточки невообразимо крохотные и составляют в ширину всего 0,2 микрометра (2/10 000 миллиметра). |
Адгезией называют прилипание различных тел друг к другу, как следствие молекулярного притяжения поверхностных молекул или атомов. Эти силы начинают действовать только лишь при тесном контакте. Действие силы адгезии обеспечивает сложное строение отдельных ворсинок. Только микроструктура позволяет гекконам установить тесный поверхностный контакт с субстратом, чтобы начала действовать сила притяжения. Таким образом, сила притяжения является суммой бесконечного количества мелких сил, которые начинают действовать при прикосновении окончаний прикрепительных ворсинок к субстрату.
Физическую природу прикрепительного механизма доказывает тот факт, что мертвые животные не теряют свою цепкость и остаются висеть даже на оконном стекле. Так как для простого висения на вертикальной поверхности не нужны затраты энергии, гекконы предпочитают спать в таком положении. Наконец, остается невыясненным вопрос, как гекконы применяют прикрепительный механизм и как они снова отцепляются от субстрата. Это обеспечивается сильной подвижностью ног животного.
Активное прикрепление производится с помощью захватывающего движения по направлению к субстрату, при котором прикрепительные ворсинки при сокращении мышц несколько выпрямляются и прижимаются к основанию. При этом прикрепительные ворсинки слегка изгибаются в форме литеры S, все только по направлению к предплюсне. Такое одинаковое положение всех прикрепительных подушечек обеспечивает действие прикрепительной силы только по направлению к предплюсне. Чтобы обеспечить действие этой силы по другим направлениям, пальцы животного распределяются почти равномерно вокруг ноги, обеспечивая геккону надежное крепление. Чтобы оторвать палец от субстрата, гекконы поднимают его спереди, что напоминает накатывание (раскатывание). Этот процесс протекает так быстро, что его очень сложно точно наблюдать. При приподнимании кончиков пальцев прикрепительные ворсинки постепенно освобождаются и действие адгезионной силы прекращается. После отделения от основания прикрепительные ворсинки приобретают свою первоначальную форму, и нога может быть передвинута и поставлена снова. Для того чтобы одновременно оторвать все кончики ворсинок, геккону понадобилось бы гораздо больше энергии, чем он располагает.
Прикрепительная сила некоторых видов гекконов невероятна и многократно превосходит вес их тела.
Подобные прикрепительные ворсинки или другие примитивные прикрепительные механизмы находятся еще на хвостах и на брюхе некоторых видов гекконов.
Уже в яйце прикрепительные ворсинки полностью развиты и защищены толстым слоем кожи, предотвращающим загрязнение прикрепительных пластинок при вылуплении детеныша. Через небольшой промежуток времени после вылупления детеныш линяет и приобретает в полном объеме способность к цепкости.
Подобные процессы наблюдаются после линьки и у взрослых животных. У них прикрепительная способность сразу после линьки самая сильная и постепенно уменьшается до следующей линьки из-за загрязнения прикрепительных ворсинок. Так как новая кожа окружает прикрепительные щетинки, она отрывается тяжелее, чем остальная кожа, и гекконы должны поддерживать процесс линьки с помощью активного сдирания старой кожи. Остатки кожи на ногах сильно снижают активность животного вплоть до того, что животные становятся не в состоянии самостоятельно ловить свой корм и поэтому умирают с голода. Часто остатки кожи на ногах свидетельствуют о заболевании или слабости соответствующего животного.
Вокруг прикрепительных подушечек находятся чувствительные клетки, которые закреплены исключительно на крайних чешуйках. У Tarentola mauritanica, например, размещены по 15 чувствительных клеток на каждой из этих чешуек. Чувствительные клетки служат органами чувств, с помощью которых гекконы реагируют, например, на жидкости или липкий субстрат поднятием пальцев, чтобы прикрепительные подушечки не загрязнялись. Чувствительные клетки дополнительно контролируют относительное расположение пальцев и процесс прикрепления.
Схематическое изображение прикрепительных ворсинок в процессе движения:
a) закрепление,
b) отделение
Биологическое значение возможности прикрепления заключается, в основном, в осваивании экологических ниш, полностью недоступных для других рептилий.
Например, большинство видов, имеющих прикрепительные подушечки, обитают на перпендикулярно расположенных поверхностях, таких как камни, древесные стволы, и даже на очень гладких пальмовых листьях. Там они могут уверенно прыгать и охотиться за добычей. Многие виды используют естественную защиту, которую дают вертикальные стены, в том числе и для спаривания. Прикрепительные подушечки обеспечивают развитие этих видов в непосредственной близости с человеком, так как они могут заселять голые потолки и стены домов.
секретов гекконов? Они висят за волосы на пальцах ног
Гекконы известны своей способностью взбираться по вертикальным стенам и даже висеть вверх ногами, и теперь ученые больше понимают, как опытные альпинисты могут справиться с этими трудностями, бросающими вызов гравитации: гекконы могут быстро включать и выключать липкость своих ног, находит новое исследование.
Пальцы геккона хорошо изучены, и их липкие свойства послужили источником вдохновения для создания некоторых невероятных технологий, таких как способы зашивания ран без швов и липкие ручные лопасти, которые когда-нибудь могут помочь солдатам взбираться по стенам.В течение последнего десятилетия исследователи разрабатывали синтетические клеи с наноразмерными волокнами, имитирующие щетинистые пальцы ног геккона.
Но новое исследование тонкостей адгезии гекконов показывает, что природа все еще опережает ученых в лаборатории. [Биомимикрия: 7 технологий, вдохновленных природой]
Гекконы могут прилипать к поверхностям, потому что их луковичные пальцы ног покрыты сотнями крошечных микроскопических волосков, называемых щетинками. Каждая щетинка разделяется на сотни еще более мелких щетинок, называемых лопатками.Ученые уже знали, что пучки крошечных волосков настолько близки к контурам стен и потолков, что срабатывает сила Ван-дер-Ваальса. Этот тип физической связи возникает, когда электроны из молекул волос геккона и электроны из молекул стенки взаимодействуют друг с другом. другие и создают электромагнитное притяжение.
Теперь исследователи обнаружили, как баланс сил, действующих на геккона, и угол наклона волос на пальцах ног способствуют успеху этого существа при прилипании. Система позволяет гекконам прилипать и откреплять лапы так быстро, что они могут бегать по поверхности со скоростью 20 длин тела в секунду.
«Геккон по определению не липкий - он должен что-то делать, чтобы стать липким», - сказал Live Science ведущий автор исследования Алекс Грини, профессор инженерии из Университета штата Орегон в Корваллисе. «Это невероятное сочетание гибкости, угла наклона и растяжимости волос делает это возможным».
Грини и группа исследователей создали математическую модель, которая показывает, как угол щетинок и силы, действующие на геккона при лазании, взаимодействуют, создавая тонкую, но мощную систему прилипания.
Щетинки, отходящие от нижней части лап геккона, не стоят прямо под углом 90 градусов, а вместо этого разветвляются под косыми углами. Математическая модель показывает, что если волоски изгибаются под углом, близким к горизонтали, площадь поверхности, на которой гекконы могут прилипать, увеличивается, и гекконы могут выдерживать больший вес.
Щетинки также сверхгибкие. Когда геккон прыгает на другую поверхность или быстро меняет направление, чтобы убежать от хищника, его волосы на пальцах ног должны поглощать огромное количество энергии и перенаправлять ее.Гибкость и растяжимость щетинок помогают перенаправить энергию и позволяют гекконам ходить по поверхности под любым углом, если только поверхность не покрыта слишком большим количеством влаги, и в этом случае их сила прилипания уменьшается, и их ноги начинают скользить. По словам Грини, слишком гибкие щетинки или слишком длинные щетинки могут запутаться и заставить гекконов скользить и падать с поверхности.
Модель также показала, что гекконы способны уравновешивать силу тяжести, прикладывая свою силу к стене; они могут прижимать и скользить ногами по направлению к телу и волочить ступни по поверхности, не падая.Грини сказал, что следующим шагом будет изучение роли трения.
Детали исследования были опубликованы сегодня (12 августа) в Journal of Applied Physics.
Следуйте за Келли Дикерсон в Twitter . Следуйте за нами @livescience , Facebook и Google+ . Оригинальная статья о Live Science .
.Гекконы-акробаты могут бегать даже по водной глади
Обладая маневренностью на суше, в воздухе и на воде, гекконы похожи на супергероев. (Видео Стивена МакНалли и Роксаны Макасджиан, основано на кадрах из лаборатории PolyPEDAL, Калифорнийский университет в Беркли)
Гекконы известны своими акробатическими трюками на суше и в воздухе, но новое открытие, что они также могут бегать по воде, помещает их в категорию супергероев, говорит биолог из Калифорнийского университета в Беркли.
«Они могут взбегать по стене со скоростью метр в секунду, они могут скользить, они могут выпрямляться в воздухе поворотом хвоста и быстро переворачиваться под лист, бегущий на полной скорости. И теперь они могут бегать по воде со скоростью метр в секунду. Ничто другое не может этого сделать; гекконы - супергерои », - сказал Роберт Фулл, профессор интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли.
Фулл - старший автор статьи, которая появится на этой неделе в журнале Current Biology , в которой описываются четыре отдельные стратегии, которые гекконы используют для передвижения по поверхности воды.Первый автор Жасмин Нироди, биофизик из Оксфордского университета и Университета Рокфеллера, провела большую часть исследований с Джуди Джинн, как доктора философии. студенты в Беркли.
По словам Фулла, открывшего многие уникальные маневры и стратегии, которые используют гекконы, в том числе то, как волосы на пальцах ног помогают им подниматься по гладким вертикальным поверхностям и свисать с потолка, полученные данные могут помочь улучшить конструкцию роботов, которые бегают по воде.
Геккон мчится по воде с помощью гребли и поверхностного натяжения.(Фото Полин Дженнингс любезно предоставлено лабораторией PolyPEDAL, Калифорнийский университет в Беркли)
Нироди впервые был заинтригован поведением гекконов, бегущих по воде, после того, как соавтор и доктор философии Калифорнийского университета в Беркли. Ардиан Юсуфи, ныне биофизик в Институте интеллектуальных систем Макса Планка в Штутгарте, Германия, записал сначала в лаборатории, а затем в поле, что гекконы в лесах юго-восточной Азии могут бегать по лужам, спасаясь от хищников.
Фактически, они могут бегать по воде со скоростью около метра или трех футов в секунду и легко переходить к ускорению по твердой земле или лазанию по вертикальной поверхности.Гекконы, бегающие по поверхности воды, превышают абсолютные скорости плавания многих крупных водных специалистов, включая уток, норок, ондатр, морских игуан и молодых аллигаторов, и имеют более высокую относительную скорость, чем любой зарегистрированный поверхностный пловец, за исключением жуков-вертолетов.
Как, подумала она, они это делают?
Животные используют различные методы, чтобы оставаться над водой. Более легкие животные, в основном насекомые, поддерживаются только поверхностным натяжением. Более тяжелые животные могут создавать достаточно силы ногами или хвостом, чтобы держаться над водой.Но гекконы находятся посередине, используя оба метода. (Лабораторный график PolyPEDAL, Калифорнийский университет в Беркли)
Более мелкие животные, такие как насекомые - например, пауки, жуки и водомерки - достаточно легкие, чтобы удерживаться на плаву за счет поверхностного натяжения, которое позволяет им легко скользить по поверхности. Более крупные животные, такие как лебеди во время взлета или ящерица-василиск, и даже дельфины, вставшие на хвосты, быстро хлопают и поглаживают воду, чтобы удержаться над волнами.
«Более крупные животные не могут использовать поверхностное натяжение, поэтому они в конечном итоге толкают и ударяют по поверхности, что создает силу, если вы делаете это достаточно сильно», - сказал Фулл.
Но геккон среднего размера: около 6 граммов (одна пятая унция, или вес листа бумаги), они слишком велики, чтобы парить над поверхностью, но слишком легкие, чтобы удерживать свое тело над водой. только силой удара.
«Размер геккона ставит их в промежуточный режим, золотую середину, - сказал Нироди. «Они не могут создать достаточно силы, чтобы бегать по поверхности, не утонув, поэтому тот факт, что они могут бегать по воде, действительно удивляет».
В экспериментах с плоскохвостыми домашними гекконами ( Hemidactylus platyurus ), обычными в Южной и Юго-Восточной Азии, она обнаружила, что они на самом деле используют по крайней мере две, а возможно, четыре различных стратегии бега по поверхности воды.
Она обнаружила, что поверхностное натяжение необходимо, потому что, когда она применяла поверхностно-активное вещество или мыло для устранения поверхностного натяжения, гекконы были намного менее эффективны: их скорость упала вдвое.
Четыре техники, которые гекконы используют, чтобы летать над водой: глиссирование, как на скоростной лодке; поддержка от поверхностного натяжения; хлопанье по воде и волочение; и движение с хвостом.
Однако даже без поверхностного натяжения они могут передвигаться с помощью хлопающих и гребных движений четырьмя ногами, как более крупные животные.Удары ног создавали воздушные карманы, которые помогали им не погружаться в воду полностью, позволяя им передвигаться по воде почти так же, как по суше.
Но они также, кажется, используют свою гладкую водоотталкивающую кожу для выравнивания по поверхности, подобно аквапланированию, но называемому полупланированием - техникой, используемой ондатрами.
Наконец, они также используют свой хвост, чтобы взмахивать водой, как аллигатор, обеспечивая движение, а также подъемную силу и стабилизацию.
«Все до некоторой степени важны, и гекконы уникальны тем, что объединяют все это», - сказал Фулл.
«Даже зная обширный список локомотивных возможностей, которые есть у гекконов в их арсенале, мы все равно были очень удивлены скоростью, с которой они могли мчаться по поверхности воды», - сказал Нироди. «То, как они сочетают несколько методов для выполнения этого подвига, действительно замечательно».
В лаборатории она и ее коллеги построили длинный резервуар для воды, поместили гекконов на доску и испугали их, прикоснувшись к их хвостам.Используя высокоскоростное видео, они смогли внимательно изучить технику гекконов и оценить задействованные силы.
Это исследование финансировалось Национальным научным фондом и Швейцарским национальным научным фондом. Другими соавторами статьи являются Томас Либби и Тимоти Ли из Калифорнийского университета в Беркли и Дэвид Ху из Технологического института Джорджии.
СВЯЗАННАЯ ИНФОРМАЦИЯ
.Секреты ног геккона помогают роботу подняться на
Стэнфордский отчет, 24 августа 2010 г.Наука, лежащая в основе пальцев геккона, дает ответ на вопрос о сухом клее, который обеспечивает идеальный захват для ног робота. Стэнфордский инженер-механик Марк Каткоски использует новый материал, основанный на структуре стопы геккона, чтобы его роботы продолжали лазать.
Кристин Блэкман
Джек Хаббард
Студент-механик, аспирант Саломон Трухильо наблюдает за «Stickybot».
L.A. CiceroПол Дэй и Алан Асбек работали над адгезивом для лап гекконоподобного Stickybot.
Инженер-механик из Стэнфорда использует биологию липкой лапы геккона, чтобы создать робота, который лазает. Точно так же, как маленькая рептилия может взбираться на стену из гладкого стекла, Stickybot может взбираться по гладкой поверхности ногами, смоделированными по замысловатой конструкции пальцев геккона.
Марк Каткоски, ведущий разработчик Stickybot, профессор машиностроения и содиректор Центра дизайнерских исследований, последние пять лет сотрудничал с учеными по всей стране в создании альпинистских роботов.
После разработки робота, способного преодолевать неровные вертикальные поверхности, такие как кирпичные стены и бетон, Каткоски перешел к гладким поверхностям, таким как стекло и металл. Он обратился к геккону за идеями.
«Если вы не используете присоски, которые работают медленно и неэффективно, другое решение - использовать сухую адгезию, которую использует геккон», - сказал Каткоски.
Чудеса пальца геккона
На пальце ноги геккона есть сотни гребешков, похожих на лоскуты, которые называются ламелями.На каждом гребне есть миллионы волосков, называемых щетинками, которые в 10 раз тоньше человеческого. Под микроскопом вы можете увидеть, что каждый волос делится на более мелкие пряди, называемые шпателями, что делает их похожими на пучок секущихся кончиков. Эти секущиеся концы настолько крошечные (несколько сотен нанометров), что взаимодействуют с молекулами лазающей поверхности.
Взаимодействие между молекулами волос геккона на пальцах ног и стенкой представляет собой молекулярное притяжение, называемое силой Ван-дер-Ваальса. Геккон может повиснуть и поддержать весь свой вес на одном пальце ноги, поместив его на стекло, а затем потянув назад.По словам Каткоски, он прилипает только тогда, когда вы тянете в одном направлении - их пальцы являются своего рода односторонним клеем.
"Он сильно отличается от скотча или клейкой ленты, где, если вы нажмете на нее, вам придется оторвать ее. Вы можете легко нанести клей на поверхность, а затем потянуть в определенном направлении, и он прилипнет «Но если вы потянете в другом направлении, это произойдет сразу же без всяких усилий», - сказал он.
Роботы на лапах геккона
Односторонний клей важен для лазания, потому что он требует небольших усилий, чтобы прикрепить и отсоединить ногу робота.
"Другие клеи похожи на хождение с жевательной резинкой на ногах: вы должны прижать ее к поверхности, а затем вы должны работать, чтобы снять ее. Но с направленной адгезией это почти как если бы вы могли как бы зацепить и отцепиться от поверхности, - сказал Каткоски.
После прорывного понимания того, что направление имеет значение, Каткоски и его команда начали спрашивать, как создавать искусственные материалы для роботов, которые создают такой же эффект. Они придумали резиноподобный материал с крошечными полимерными волосками, изготовленными из микромасштабной формы.
Дизайнеры прикрепляют слой клея по форме четырех ножек Stickybot размером с детскую руку. По мере того, как он неуклонно движется вверх по стене, робот с легкостью очищает и прилипает к поверхности, напоминая механическую ящерицу.
Новейшие версии клея, разработанные в 2009 году, имеют двухслойную систему, похожую на ламели и щетинки геккона. «Волосы» даже меньше, чем в первой версии - около 20 микрометров в ширину, что в пять раз тоньше человеческого волоса.Эти версии выдерживают более высокие нагрузки и позволяют Stickybot подниматься по таким поверхностям, как деревянные панели, окрашенный металл и стекло.
Материал прочный, многоразовый, не оставляет следов или повреждений. Роботы, которые взбираются на вертикальные стены, могут быть полезны для доступа к опасным или труднодоступным местам.
Следующие шаги
Новый проект команды предполагает увеличение размера материала для людей. В разработке находится технология под названием Z-Man, которая позволит людям лазать с помощью клея для гекконов.
Каткоски и его команда также работают над преемником Stickybot: тот, который поворачивается посреди подъема. Поскольку клей прилипает только в одном направлении, для поворота требуется вращать лапку.
«У нового Stickybot, над которым мы сейчас работаем, есть вращающиеся лодыжки, как и у гекконов», - сказал он.
«В следующий раз, когда вы увидите геккона вверх ногами или идущего по стене головой, внимательно посмотрите на задние лапы, они повернутся назад. Так и должно быть, иначе они упадут.«
Каткоски сотрудничал с учеными из Колледжа Льюиса и Кларка, Калифорнийского университета в Беркли, Университета Пенсильвании, Университета Карнеги-Меллона и компании-разработчика роботов Boston Dynamics. Его проект финансируется Национальным научным фондом и Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Исследование описано в статье, опубликованной 2 августа в журнале «Applied Physics Letters », «Влияние формы фибрилл на адгезионные свойства».
Кристин Блэкман - стажер-писатель в Стэнфордской службе новостей.
.Гекконы липнут без усилий
Фотография токайского геккона, цепляющегося за гладкую поверхность. Предоставлено: Уильям Стюарт.(Phys.org) - Гекконы, обитающие в местах с теплым климатом, очаровывали людей на протяжении сотен лет. Ученые были особенно заинтригованы этими ящерицами, и они изучили множество особенностей, таких как липкие подушечки пальцев на нижней стороне лап геккона, с помощью которых гекконы прикрепляются к поверхностям с удивительной прочностью.
Один вопрос без ответа, который увлек исследователей: определяется ли сила этой адгезии гекконами или она каким-то образом присуща адгезивной системе? Другими словами, является ли эта адгезия результатом того, что ее инициировало все животное? Или адгезия в основном «пассивная», ее сила зависит от того, как работают подушечки пальцев?
Биологи из Калифорнийского университета в Риверсайде провели эксперименты в лаборатории на живых и мертвых гекконах, чтобы определить ответ.Их эксперименты впервые показывают, что мертвые гекконы могут прикрепляться с той же силой, что и живые гекконы.
Результаты исследования, появившиеся в сети 3 декабря в Biology Letters , могут найти применение в области робототехники.
«Что касается гекконов, то липкость не требует усилий», - сказал Тимоти Э. Хайэм, доцент биологии, который проводил исследование вместе с Уильямом Дж. Стюартом, докторантом в своей лаборатории. «Мы обнаружили, что мертвые гекконы сохраняют способность прикрепляться с той же силой, что и живые животные, исключая идею о том, что сильное прилипание требует активного контроля.Смерть не влияет ни на движения, ни на позу цепляющихся за лапы геккона. Мы не обнаружили разницы в силе сцепления или движении цепляющих пальцев между нашими экспериментами до и после смерти ».
Фотография токайского геккона, цепляющегося за вертикальную поверхность. Предоставлено: Эмили Кейн.Хайэм объяснил, что в течение многих лет в литературе высказывались предположения, что адгезия гекконов на уровне организма или всего животного (где интактное животное инициирует адгезию) требует активного компонента, такого как мышечная активность, чтобы толкать ступню и пальцы ног на поверхность для усиления адгезии.Однако это никогда не проверялось.
Хайэм и Стюарт приняли вызов и проверили гипотезу. Исследователи использовали новое устройство с управляемой системой вытягивания. Это устройство прилагает повторяющиеся и постоянно увеличивающиеся тяговые усилия к ступне геккона при сдвиге. В частности, устройство измеряет сцепление, подтягивая ногу геккона строго контролируемым образом по вертикальному акриловому листу, одновременно регистрируя адгезию при сдвиге с помощью видеокамер.
Эксперименты показали, что сила сцепления или движение лапы геккона, когда его тянут по вертикальной поверхности, была столь же высокой и изменчивой, когда геккон был жив, и сразу же - в течение 30 минут - после смерти.
Гекконы могут лазить по различным поверхностям, включая гладкое стекло. Их липкие пальцы на ногах послужили источником вдохновения для создания устройств для лазания, таких как перчатки Человека-паука. Подушечки пальцев на нижней стороне лап геккона содержат крошечные, похожие на волосы структуры, называемые щетинками. Щетинки прикрепляются к контактирующим поверхностям за счет сил трения, а также сил между молекулами, называемых силами Ван-дер-Ваальса. Эти крошечные структуры настолько прочные, что щетинки на одной ноге могут выдерживать вес, в 20 раз превышающий вес тела геккона.
На фото изображена нижняя сторона лапы геккона.Под пальцами ноги находятся «щетинки», миллионы очень тонких, похожих на волосы структур, которые обеспечивают увеличенную площадь поверхности и плотный контакт между стопой и поверхностью, на которой она стоит. Щетинки загнуты внутрь, к центру стопы. Когда геккон отводит палец ноги назад, щетинки распрямляются. Предоставлено: Эмили Кейн.Контролируемые эксперименты, проведенные исследователями, впервые показали, что мертвые животные сохраняют способность прикрепляться с той же силой, что и живые животные.Результаты опровергают представление о том, что действия живого геккона, такие как набор мышц или нейронная активность, необходимы ногам геккона для создания сил.
«Идея о том, что адгезия может быть полностью пассивной, применима ко многим различным видам адгезии, - сказал Хайэм. «Это явно экономически эффективный способ оставаться в неподвижном состоянии в среде обитания. Например, гекконы могут сидеть на гладкой вертикальной поверхности и спать всю ночь - или день - без использования энергии».
Новая работа предполагает, что «активный» компонент адгезии гекконов на самом деле является уменьшением силы сцепления, когда геккон «чрезмерно вытягивает» свои пальцы, то есть поднимает их от земли, свернув вверх только кончики пальцев, в то время как остальные стопы остается на поверхности.
«Мы обнаружили, что у мертвых животных больше шансов получить повреждение их адгезивной системы, что предполагает, что активный контроль может действительно предотвратить травмы», - рассказывает Стюарт. «Другими словами, когда силы становятся слишком высокими, геккон, вероятно, освобождает систему, используя свои мышцы».
Что идет вверх, должно спуститься вниз
Дополнительная информация: Пассивно застрял: смерть не влияет на силу адгезии гекконов, Biology Letters , руб.royalsocietypublishing.or… .1098 / rsbl.2014.0701 Предоставлено Калифорнийский университет - Риверсайд
Ссылка : Гекконы липнут без усилий (2014, 3 декабря) получено 28 сентября 2020 с https: // физ.org / news / 2014-12-geckos-sticky-sizes.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
.