Как божьи коровки прилипают к поверхностям, не теряя ног при взлёте

Совместное исследование NIMS, Токийского университета и Кильского университета установило механизмы прилипания лапок у божьих коровок, которые десятилетиями оставались предметом споров.

Учёные в области биомиметики изучают способность рептилий и насекомых легко ходить по потолкам и стенам, быстро и многократно прикрепляя и открепляя свои лапки. Данная команда исследует и разрабатывает новые адгезионные технологии, используя в качестве модели эффективные функции лапок божьей коровки. Этот жук способен ходить по гладким стеклянным поверхностям, не скользя, несмотря на то, что часть его лапок, контактирующая с поверхностью, покрыта жёсткими щетинками (сетами). Эта же часть лапок выделяет жидкость. На основе этих наблюдений было предложено два возможных механизма адгезии: механизм, включающий межмолекулярные силы притяжения между щетинками лапок и поверхностью, и механизм, включающий поверхностное натяжение выделяемой жидкости. Спор о том, какой из них верен, оставался неразрешённым 40 лет.

Команда недавно смогла измерить толщину слоя жидкости на лапках, образующегося между кончиками щетинок божьей коровки и стеклянной поверхностью, в предположении, что эта толщина указывает на силу межмолекулярного притяжения. Для этого на стеклянную поверхность сначала нанесли слой частиц AuPd толщиной 10–20 нм. Затем жука поместили на покрытую поверхность, позволив выделить жидкость. Эту жидкость мгновенно заморозили, пока ноги жука всё ещё находились на поверхности. После открепления лапок высоту слоя частиц AuPd, заполненного замёрзшей жидкостью, измерили с помощью Cryo-SEM микроскопа. В результате толщина слоя жидкости (т.е. расстояние между кончиками щетинок и стеклянной поверхностью) оказалась достаточно малой для эффективного действия межмолекулярных сил притяжения.

Затем команда измерила силу тяги божьих коровок, идущих по поверхностям различных субстратов, используя комбинацию биомиметических и материаловедческих методик, чтобы определить относительный вклад межмолекулярных и других сил адгезии. Известно, что межмолекулярные силы коррелируют с работой адгезии (WA) — количеством энергии, необходимой для разделения двух соединённых поверхностей разных материалов. Корреляцию между WA и силой тяги исследовали, подгоняя экспериментальные данные в математическую формулу, описывающую взаимосвязь этих параметров. В результате было обнаружено, что сила адгезии лапок жука коррелирует с WA, что указывает на то, что межмолекулярные силы (т.е. силы Ван-дер-Ваальса) являются основной силой, участвующей в прилипании лапок божьих коровок.

В будущих исследованиях команда планирует применить эти результаты для разработки искусственных структур, способных прикрепляться и открепляться от различных поверхностей. Такие структуры могут быть использованы в ногах роботов для ликвидации последствий стихийных бедствий, способных передвигаться по различным поверхностям подобно божьим коровкам. Их также можно интегрировать в устройства, предназначенные для замены деталей в высокоточном оборудовании.

Исследование было опубликовано 8 апреля 2021 года в журнале Scientific Reports.