Почему гекконы могут ползать по очень гладким стенам?

Данная статья посвящена тому, почему гекконы могут ползать по гладким стенам. В ней описывается процесс исключения предыдущих гипотез и указывается, что гекконы в основном прикрепляются к поверхности объектов с помощью силы Ван-дер-Ваальса, возникающей между шипами на их лапах и поверхностью объекта. Их способность быстро передвигаться связана с быстрым образованием и исчезновением силы Ван-дер-Ваальса. Кроме того, на их прикрепление и ползание влияют такие факторы, как изменение угла шипов, нервное управление мышцами и капиллярный эффект. В статье также упоминаются существующие проблемы с искусственными шипами, такие как их слипание и трудности с переходом от прикрепления к отсоединению, а также то, что многие особенности лап гекконов до сих пор остаются неразгаданными.

Почему гекконы могут ползать по очень гладким стенам?

За миллиарды лет эволюции и борьбы за выживание разнообразие и различные удивительные функции живых существ в природе вдохновляют человеческое воображение и творчество. Гекконы, способные неподвижно стоять или свободно передвигаться по скалам, стволам деревьев, стенам, потолкам и даже гладким вертикальным стеклам, уже давно привлекают внимание людей. Древнегреческий философ Аристотель приписывал эту адгезию сверхъестественным силам. Позже учёные предположили, что механизм прилипания гекконов может быть основан на капиллярном эффекте, микроскопическом замке, трении или электростатическом притяжении. Учитывая, что гекконы могут неподвижно стоять или легко ползать по вертикальным гладким стеклянным стенам даже в вакууме, сила притяжения между гекконовой лапкой и поверхностью объекта не может быть вакуумной. Ионизация воздуха не влияет на адгезию, а электростатическое притяжение исключается. На лапках гекконов нет желёз, выделяющих какие-либо жидкости, и это не может быть обычным клеящим веществом. В 19 веке учёные обнаружили необычную микроструктуру лапок гекконов. В 1965 году с помощью оптического микроскопа было установлено, что на лапках гекконов есть миллионы щетинок, каждая из которых состоит из 100–1000 ворсинок с радиусом 0,2–0,4 микрометра. С 2000 года американские учёные Отт и др. с помощью микроэлектромеханической технологии (MEMS) измерили адгезию гекконовых щетинок и обнаружили, что когда ворсинки щетинок прижимаются очень близко к поверхности объекта, могут возникать слабые межмолекулярные силы, известные в физике как силы Ван-дер-Ваальса. Хотя сила каждой точки контакта очень слаба, массив из миллионов щетинок может обеспечить адгезию, превышающую вес геккона. Гекконы прилипают к поверхностям благодаря быстрому формированию и исчезновению сил Ван-дер-Ваальса на щетинках.

Отт и др. также обнаружили, что адгезия может быть измерена только при относительном скольжении щетинок по поверхности контакта. Это скольжение, вероятно, связано с постоянной корректировкой угла щетинок для полного контакта с поверхностью, а мышечная и нервная ткань на основании щетинок регулирует их контакт с поверхностью, обеспечивая активную адгезию и антиадгезию, а также их переключение. Без этого гекконы не могли бы быстро и свободно передвигаться. В 2005 году учёные Хубо и др. также обнаружили, что капиллярный эффект играет важную роль в адгезии гекконовых лапок. Даже при наличии однослойной плёнки из молекул воды адгезия значительно ухудшается, а эта плёнка легко образуется при адсорбции воды из воздуха щетинами. Эксперименты показали, что адгезия увеличивается с влажностью воздуха, и когда влажность воздуха увеличивается с 0 до 70%, адгезия одной щетинки почти удваивается. Учёные очень заинтересованы в имитации этих щетинок, но созданные в настоящее время "искусственные щетинки" обладают ограниченной адгезией и страдают от взаимного "прилипания", а также не могут легко переключаться между адгезией и отделением от поверхности объекта. Похоже, что ещё много тайн скрывается в лапках гекконов!