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.

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.



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 мм^2. 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 см^2 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 см^2. 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