Nas pegadas da natureza

[ Livremente traduzido de Following in the Footsteps of Nature ]

Pesquisadores chegam um passo mais perto da natureza com o desenvolvimento de polímeros e adesão direcional que seguem o modelo das patas de uma lagartixa

Video showing gecko feet.


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Pesquisadores finanaciados pela NSF colaboraram para o desenvolvimento de um adesivo sintético “tipo lagartixa”.
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9 de fevereiro de 2010

A nanotecnologia não só aproximou a natureza da engenharia, como também encorajou a colaboração entre pesquisadores de diferentes disciplinas. Em uma dessas colaborações, dois pesquisadores exploraram a extraordinária capacidade de grudar dos pés das lagartixas para desenvolver um adesivo sintético para ajudar robos a escalar paredes.

Os pesquisadores financiados pela NSF Mark Cutkosky, engenheiro da Universidade Stanford, e Kellar Autumn, um biólogo do Lewis and Clark College, trabalharam em conjunto para desenvolver um adesivo sintético “tipo lagartixa” que funciona da mesma forma que as cerdas nas patas das lagartixas para aplicações em aparelhos escaladores. A equipe descobriu os princípios de física fundamentais por trás da adesividade das lagartixas que permitiu a invenção de uma nano-estrutura adesiva.

A inspiração veio da lagartixa Tokay, uma das lagartixas maiores e mais pesadas.

“O desafio era simplesmente levar os robos a um lugar onde jamais tinham estado, por exemplo, escalando paredes de edifícios”, descreve Cutkosky. “Se os robos puderem escalar superfícies verticais, eles poderão ser usados na inspeção de edifícios, pontes e outros locais de difícil acesso”.

Cutkosky recebeu uma verba de pesquisa no valor de US$ 1 milhão da National Science Foundation, ao longo de quatro anos, para desenvolver o primeiro adesivo “tipo lagartixa” (gecko-like synthetic adhesive = GSA) que funciona de forma igual às verdadeiras cerdas de lagartixas. Autumn recebeu dois financiamentos para a contínua pesquisa sobre a adesividade das lagartixas. A equipe de Cutkosky trabalhou em conjunto com Kellar Autumn e seu laboratório de lagartixas para estabelecer se um adesivo sintético poderia ser empregado em robos.

Photo of a gecko's foot.

O pé de uma lagartixa tem um sofisticado sistema de adesão que emprega forças de van der Waals.
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“A cooperação com o grupo de Mark foi incrivelmente produtiva. Com base nas medições das micro-forças, nós estabelecemos a hipótese de que uma ação conjunta da tensão de cisalhamento e a adesão era a responsável pelo sistema de aderência das lagartixas”, explica Autumn.

A pata de uma lagartixa possui um sistema de aderência sofisticado que emprega as forças de van der Waals, a atração básica entre moléculas. As forças de van der Waals permitem que as lagartixas escalem e se pendurem em uma superfície lisa e vertical com apenas um dedo.

Cutkosky e sua equipe vêm desenhando robos bio-inspirados que usam as forças de van der Waals. Seu projeto mais recente é o “stickybot” (literalmente: “robo-grudento”), um robo que tem suportes semelhantes às patas das lagartixas que lhe permitem escalar paredes e edifícios.

Projeto bio-inspirado em nano-escala

O intrincado trabalho da natureza  ocorre eu uma escala minúscula, abaixo dos limites de nossa visão. Por baixo da superfície da pata de uma lagartixa existe uma hierarquia de três níveis de estruturas. O primeiro nível é composto de lâmelas que são uma série de estruturas que se parecem com flapes em um microscópio. As lâmelas se dividem em estruturas menores, mais finas do que um cabelo humano. Estas, por sua vez, se ramificam em pequenas extremidades chamadas espátulas que têm apenas algumas centenas de nanômetros.

Photo of Sangbae Kim and Mark Cutkosky with the robot stickybot.

Sangbae Kim e Mark Cutkosky desenvolveram um robo, inspirado em lagartixas, chamado “stickybot”.
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“O que acontece, então, é que a lagartixa é capaz de se acomodar a superfícies que vão de dezenas ou centenas de nanômetros até a ordem dos centímetros”, explica Cutkosky. “É algo muito legal, quase de natureza fractal”

As estruturas que compõem os diferentes níveis da hierarquia tem um comportamento similar em várias escalas de comprimento.

A estrutura dos dedos da lagartixa só fica adesiva quando exerce esforço em uma determinada direção e a lagartixa pode controlar a adesão alinhando suas micro-estruturas e as pondo em contato imediato com a superfície. O “stickybot” segue os mesmos princípios de uma lagartixa, porém precisa ajustar a orientação de seus pés enquanto escala, para se assegurar que os dedos estejam sempre exercendo esforço na direção apropriada para a adesão.

Cutkosky e Autumn fizeram estruturas sintéticas que seguem o projeto da pata de uma lagartixa. No presente, eles obtiveram uma hierarquia de duas camadas de polímero com adesão direcional. Não é o suficiente para que o “stickybot” consiga escalar paredes, porém sempre se pode fazer aperfeiçoamentos.

“Tudo se resume em quanta adesão se consegue por unidade de área. A lagartixa pode aguentar facilmente seu próprio peso em um único dedo. Na verdade, dá e sobra. Sem os mais recentes e melhores adesivos, eu acho que o “stickybot” mal pudesse suportar seu peso em um único dedo. Nós não chegamos nem perto de uma lagartixa. Fundamentalmente, isso se resume [à correlação entre] o peso do robo e quantos pascais se pode tirar de seu material”, afirma Cutkosky.

O Pascal é uma medida de força por unidade de área que permite aos pesquisadores, Cutkosky, estabelecer quanta tensão a adesão sintética pode tolerar. Isso ajuda a calibrar como o adesivo será desenvolvido e como ele poderá ser modificado no futuro.

O futuro do “stickybot”

O “stickybot” emprega três princípios principais para escalar superfícies lisas: ajustagem hierárquica para se adequar em níveis dos micrômetros aos centímetros, adesão direcional para se prender e desprender suavemente de uma superfície e controle de força para controlar as forças de atrito nos pés. Apesar do “stickybot” conseguir escalar superfícies verticais e lisas, Cutkosky espera desenvolver um robo capaz de escalar uma ampla gama de superfícies.

Photo of the robot stickybot.

O “stickybot” emprega os mesmos princípios que uma lagartixa, fazendo uso da adesão seca para escalar paredes.
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“Vamos continuar tentando melhorar o adesivo seco em si, mas, independente disso, estamos trabalhando em um novo [modelo de] “stickybot”. Tornar os tornozelos do robo giratórios é, provavelmente, o primeiro passo, mas também queremos melhorar o sensoreamento e o controle. Atualmente, o “stickybot” não tem muitos sensores, de forma que, se ele estiver escalando e ficar em dificuldades, ele não fica sabendo disso e acaba caindo”, disse Cutkosky.

A pesquisa em conjunto de Cutkosky e Autumn mostrou que a ciência de materiais está tentando seguir os passo da natureza.

“A natureza tem a enorme vantagem de poder criar e diferenciar célula por célula. Enquanto isso, quando fabricamos coisas, usamos processos que vão “de cima para baixo” e, assim, cada camada fica difícil e cara para obter”, conclui Cutkosky.

—  por Gwendolyn Morgan


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