惊人的蜘蛛毛发发现可能启发工程创新

来源: Frontiers in Mechanical Engineering

发布日期: 2021-08-16

一项新研究揭示了游走蜘蛛粘性脚上的毛发状结构的特征比以前认为的更加多样化,这可能为创造强大且可逆的仿生粘合剂开辟新的机会。

工程师们对蜘蛛腿上毛发的功能多样性印象深刻。扫描电子显微镜(SEM)图像显示了跗节(即腿的最低部分)粘性毛发的基部。左边的图像显示了最靠近外骨骼的粘性毛发的毛干。在其插入处,毛干变细,外骨骼上的塞子状结构与之接触并附着。进一步放大同一区域:星号标记了毛发可以向上弯曲的枢轴点。远端与近端在这里意味着远离与朝向腿尖的爪子。

蜘蛛如何能直立行走——甚至在许多不同类型的表面上倒挂行走?回答这个问题可能会为创造强大且可逆的仿生粘合剂开辟新的机会。科学家们几十年来一直在努力更好地理解蜘蛛的脚。现在,《机械工程前沿》的一项新研究首次表明,一种名为游走蜘蛛的蜘蛛的粘性脚上的毛发状结构的特征比以前认为的更加多样化。

当研究团队开始实验时,他们预计会发现最佳粘附的特定角度以及所有个体附着毛发的类似粘附特性。但令人惊讶的是,粘附力在个体毛发之间存在很大差异,例如,一根毛发在低角度下粘附最佳,而另一根则在接近垂直的角度下表现最佳。

这种蜘蛛的脚由近2400根微小的毛发或'刚毛'组成(厚度为百分之一毫米)。Schaber和他的同事Bastian Poerschke和Stanislav Gorb收集了这些毛发的样本,然后测量了它们在包括玻璃在内的各种粗糙和光滑表面上的粘附效果。他们还研究了毛发在不同接触角度下的表现。

不同类型的毛发协同工作。出乎意料的是,每根毛发都显示出独特的粘附特性。当团队在强大的显微镜下观察这些毛发时,他们还发现每根毛发显示出明显不同且以前未被识别的结构排列。团队认为,这种多样性可能是蜘蛛能够攀爬如此多表面类型的关键。

这项工作仅研究了每只脚上数千根毛发中的一小部分,而且现有资源无法考虑研究所有毛发。但团队预计并非所有毛发都是独特的,可能有可能找到集群或重复模式。

仿生应用是可能的。尽管制造像蜘蛛那样的纳米结构仍然非常困难——尤其是要达到天然材料的稳定性和可靠性——我们的发现可以进一步优化现有模型,用于可逆且无残留的人工粘合剂。蜘蛛附着系统中发现的粘附接触的不同形状和排列原则可以提高仿生材料对具有不同性质的广泛基材的附着能力。

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