NATIONAL SCIENCE FOUNDATION..........................SEGUIENDO LOS PASOS A LA NATURALEZA DESCUBRIENDO PEGAMENTOS

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Following in the Footsteps of Nature: SIGUIENDO LOS PASOS A LA NATURALEZA.

Nanotechnology= NANOTECNOLOGÍA no sólo ha traído la naturaleza y la ingeniería más cerca juntos; esto ha animado la colaboración entre los investigadores de disciplinas diferentes. En una tal colaboración, dos investigadores utilizaron la pegajosidad extraordinaria del pie de una salamanquesa para desarrollar un pegamento sintético para ayudar escalar las paredes a los robots.

Los investigadores NSF-FINANCIADOS : MARK CUTKOSKY, un ingeniero en la Universidad de Stanford, y Autumn Kellar, un biólogo en Lewis y el Colegio de Clark, han colaborado para desarrollar un pegamento parecido a una salamanquesa sintético que funciona como verdaderas cerdas de salamanquesa para usos trepadores. El equipo descubrió los principios de física fundamentales que son la base de la adherencia de salamanquesa, que permitió la invención de un pegamento nanoestructura.

La salamanquesa Tokay, una de las salamanquesas más grandes y más pesadas, servidas como inspiración.

" El desafío debía simplemente conseguir robots para ir donde nunca los robots han sido capaz de ir antes, como encima de las paredes de edificios, " dijo Cutkosky. " Si los robots pueden subir superficies verticales, entonces ellos pueden hacer la inspección de edificios y puentes y otro difícil - sitios a alcance. "

Cutkosky recibió una beca de investigación de Fundación Nacional de Ciencia de cuatro años, de 1 millón de dólar que financió el desarrollo del primer pegamento parecido a una salamanquesa sintético (GSA) que trabaja como verdaderas cerdas de salamanquesa. El otoño recibió dos subvenciones de NSF para la investigación continuada sobre la adherencia de salamanquesa. El equipo de Cutkosky colaboró con Kellar Autumn y su laboratorio de salamanquesa para determinar si un pegamento sintético podría ser aplicado a robots.

" La colaboración con el grupo de la Señal ha sido increíblemente productiva. Basado en medidas de microfuerza, supusimos que un enganche de fuerza transversal y adherencia era responsable del control del sistema de accesorio de las salamanquesas, " dijo Autumn.

El pie de una salamanquesa posee un sistema de adherencia sofisticado que usa la furgoneta der Waals fuerzas, que son la atracción básica molecular que existe entre moléculas. La furgoneta der Waals fuerzas permite a salamanquesas para subir y colgar sobre las superficies lisas y verticales que usan un dedo del pie.

Cutkosky y su equipo han estado diseñando los robots bio-inspirados que usan la furgoneta der Waals fuerzas. Su diseño más reciente es stickybot, un robot que tiene almohadillas(blocs) parecidas a una salamanquesa, que le permiten para escalar paredes y edificios.

Diseño bio-inspirado por una escala de nano:

El trabajo intrincado de naturaleza ocurre por una escala diminuta, debajo de los límites de nuestra visión. Bajo la superficie del pie de una salamanquesa es una jerarquía de tres niveles de estructuras. El primer nivel está compuesto de lamellae, que es una serie de las estructuras que se parecen a tapas bajo un microscopio. Entonces, el lamellae es dividido en más pequeñas estructuras llamó seate que es más delgado(fino) que un pelo humano. Finalmente, la rama(sucursal) de seate en pequeños finales diminutos llamó spatulae, que es sólo un par de cientos de nanometers en el tamaño.

" Tan que pasa es que la salamanquesa es capaz de conformarse a superficies en los límites de decenas o cientos de nanometers toda la manera hasta centímetros, " dijo Cutkosky. " Es muy chulo(fresco); esto es el tipo del niño de cartel para la geometría compleja jerárquica, casi fractal en su naturaleza. "

Las estructuras que componen los niveles diferentes en la jerarquía tienen un comportamiento similar en múltiple balanza de longitud.

Las estructuras de dedo del pie de la salamanquesa son sólo el pegamento cuando cargado en una dirección particular y la salamanquesa puede controlar la adherencia por alineando sus microestructuras y haciendo el contacto íntimo con la superficie. Stickybot sigue los mismos principios que una salamanquesa, pero tiene que ajustar la orientación de sus pies como esto sube. Esto debe asegurar que los dedos del pie siempre son cargados en la dirección apropiada para la adherencia.

Cutkosky y Autumn han construido las estructuras similares sintéticas que siguen el diseño del pie de una salamanquesa. Actualmente, ellos han creado una dos jerarquía de capa de polímeros con la adherencia direccional. Esto está bastante bien para stickybot para soler escalar paredes; sin embargo hay siempre el espacio(cuarto) para la mejora.

" Esto llega cuanta adherencia usted consigue por unidad el área. La salamanquesa fácilmente puede apoyar su peso sobre un dedo del pie. De hecho, esto tiene partes para ahorrar. Sin los últimos y el mayores pegamentos, pienso que stickybot apenas puede apoyar su peso sobre un dedo del pie. Somos en ninguna parte cerca de la salamanquesa. Básicamente, esto llega hasta el peso del robot y cuantos pascales de adherencia usted puede conseguir de su material, " dijo Cutkosky.

El pascal es una medida de fuerza por unidad el área que permite a investigadores, como Cutkosky, determinar cuanto la tensión que la adherencia sintética puede tolerar. Esto ayuda a calibrar como el pegamento es desarrollado y como puede ser cambiado en el futuro.

El futuro de stickybot:

Stickybot emplea tres principios principales para subir superficies lisas: el cumplimiento jerárquico para conformarse a niveles de micrometros a centímetros, la adherencia direccional para suavemente contratar y retirarse de una superficie, y la fuerza controla para controlar fuerzas de frictional en los pies. Aunque stickybot pueda subir sobre vertical y alisar superficies, Cutkosky espera desarrollar un robot capaz de subir una amplia variedad de superficies.

" Seguimos intentando y mejorar el pegamento seco sí mismo, pero independiente de esto; trabajamos sobre nuevo stickybot. La fabricación de los tobillos del robot gira es probablemente el número uno, pero también queremos hacer más sentir y control. Ahora mismo stickybot no tiene muchos sensores, tan si esto sube y comienza a entrar en el problema, esto no sabe que y puede caerse, " dijo Cutkosky.

Cutkosky y la investigación de Autumn y la colaboración han mostrado como la ciencia de materiales intenta seguir la naturaleza.

" La naturaleza tiene una enorme ventaja puede cultivar y diferenciar la célula por la célula. Mientras que, cuando fabricamos cosas siempre usamos los procesos que trabajan descendentes y entonces cada capa es difícil y cara para nosotros, " dijo Cutkosky.

Versión de NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
In English:

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Following in the Footsteps of Nature

Researchers move one step closer to nature with the development of polymers and directional adhesion that follow the workings of a gecko's foot

February 9, 2010 Nanotechnology has not only brought nature and engineering closer together; it has encouraged collaboration among researchers of different disciplines. In one such collaboration, two researchers drew on the extraordinary stickiness of a gecko's foot to develop a synthetic adhesive to help robots scale walls. NSF-funded researchers Mark Cutkosky, an engineer at Stanford University, and Kellar Autumn, a biologist at Lewis and Clark College, have collaborated to develop a gecko-like synthetic adhesive that functions like real gecko bristles for climbing applications. The team discovered the fundamental physics principles underlying gecko adhesion, which enabled the invention of an adhesive nanostructure. The Tokay gecko, one of the largest and heaviest geckos, served as inspiration. "The challenge was simply to get robots to go where robots have never been able to go before, like up walls of buildings," said Cutkosky. "If robots can climb vertical surfaces, then they can do inspection of buildings and bridges and other hard- to-reach places." Cutkosky received a four-year, $1 million National Science Foundation research grant that funded the development of the first gecko-like synthetic adhesive (GSA) that works like real gecko bristles. Autumn received two NSF grants for continued research on gecko adhesion. Cutkosky's team collaborated with Kellar Autumn and his gecko lab to determine whether a synthetic adhesive could be applied to robots. "The collaboration with Mark's group has been incredibly productive. Based on micro-force measurements, we hypothesized that a coupling of shear force and adhesion was responsible for control of the geckos' attachment system," said Autumn. A gecko's foot possesses a sophisticated adhesion system that uses van der Waals forces, which are the basic molecular attraction that exists between molecules. Van der Waals forces allow geckos to climb and hang on a smooth and vertical surfaces using one toe. Cutkosky and his team have been designing bio-inspired robots which use van der Waals forces. Their most recent design is stickybot, a robot that has gecko-like pads, which allows it to scale walls and buildings. Bio-inspired design on a nano scale The intricate work of nature occurs on a tiny scale, below the limits of our vision. Beneath the surface of a gecko's foot is a three-level hierarchy of structures. The first level is made up of lamellae, which are a series of structures that look like flaps under a microscope. Then, the lamellae are divided into smaller structures called seate which are thinner than a human hair. Finally, the seate branch into tiny little ends called spatulae, which are only a couple of hundred nanometers in size. "So what happens is that the gecko is able to conform to surfaces ranging from tens or hundreds of nanometers all the way up to centimeters," said Cutkosky. "It is very cool; it is sort of the poster child for complex hierarchical geometry, almost fractal in its nature." The structures that compose the different levels in the hierarchy have a similar behavior at multiple length scales. The gecko's toe structures are only adhesive when loaded in a particular direction and the gecko can control adhesion by aligning its microstructures and making intimate contact with the surface. Stickybot follows the same principles as a gecko, but needs to adjust the orientation of its feet as it climbs. This is to ensure that the toes are always loaded in the proper direction for adhesion. Cutkosky and Autumn have built similar synthetic structures that follow the design of a gecko's foot. At present, they have created a two layer hierarchy of polymers with directional adhesion. This is good enough for stickybot to use to scale walls; however there is always room for improvement. "It comes down to how much adhesion you are getting per unit area. The gecko can easily support its weight on one toe. In fact, it has lots to spare. Without the latest and greatest adhesives, I think stickybot can barely support its weight on one toe. We are nowhere near the gecko. Basically, it comes down to the weight of the robot and how many pascals of adhesion you can get from your material," said Cutkosky. The pascal is a measurement of force per unit area which allows researchers, like Cutkosky, to determine how much stress the synthetic adhesion can tolerate. This helps gauge how the adhesive is developed and how it can be changed in the future. The future of stickybot Stickybot employs three main principles to climb smooth surfaces: hierarchical compliance to conform to levels from micrometers to centimeters, directional adhesion to smoothly engage and disengage from a surface, and force control to control frictional forces in the feet. Though stickybot can climb on vertical and smooth surfaces, Cutkosky hopes to develop a robot capable of climbing a wide variety of surfaces. "We are continuing to try and improve the dry adhesive itself, but independent from that; we are working on a new stickybot. Making the ankles of the robot rotate is probably number one, but we also want to do more sensing and control. Right now stickybot doesn't have many sensors, so if it's climbing and starting to get into trouble, it doesn't know that and may fall," said Cutkosky. Cutkosky and Autumn's research and collaboration have shown how materials science is attempting to follow nature. "Nature has a huge advantage it can grow and differentiate cell by cell. Whereas, when we manufacture things we're always using processes that work top-down and so every layer is difficult and expensive for us," said Cutkosky. -- Gwendolyn Morgan, (703) 292-7725 gmorgan@nsf.gov Investigators Thomas Kenny Kellar Autumn Mark Cutkosky Kimberly Turner Jacob Israelachvili Related Institutions/Organizations Stanford University Lewis and Clark College University of California-Santa Barbara Locations California Related Programs NanoManufacturing Nano and Bio Mechanics Related Awards #0708367 NIRT: Reversible Frictional Adhesion of Natural and Bio-Inspired Multi-Scale Structures #0847953 RUI: Comparative micromechanics of gecko setae: Effects of rate, substrate, and environment #0900723 Collaborative Research: Electrically Controlled Nanofibrillar Surfaces for Cleaning and Adhesion Total Grants $1,365,442 Related Websites Stanford: http://bdml.stanford.edu/twiki/bin/view/Rise/StickyBot Gecko Lab Lewis and Clark: http://geckolab.lclark.edu/dept/Welcome.html Sangbae Kim and Mark Cutkosky have developed a bio-inspired gecko robot called stickybot. Credit and Larger Version Stickybot employs the same principles as a gecko through the use of dry adhesion to climb walls. Credit and Larger Version A gecko's foot possesses a sophisticated adhesion system that uses van der Waals forces. Credit and Larger Version

Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui
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