Las setas sintéticas emulan las que se encuentran en los dedos de los pies de un geco y la investigación científica en este área está orientada hacia el desarrollo de adhesivos secos . Los gecos no tienen dificultad para dominar las paredes verticales y aparentemente son capaces de adherirse a casi cualquier superficie. Las patas de cinco dedos de un geco están cubiertas de pelos elásticos llamados setas y los extremos de estos pelos están divididos en estructuras a escala nanométrica llamadas espátulas (debido a su parecido con las espátulas reales ). La gran abundancia y proximidad a la superficie de estas espátulas hacen que sea suficiente para que las fuerzas de van der Waals por sí solas proporcionen la fuerza adhesiva requerida . [2] Tras el descubrimiento del mecanismo de adhesión del geco en 2002, que se basa en las fuerzas de van der Waals, los adhesivos biomiméticos se han convertido en el tema de un importante esfuerzo de investigación. Estos desarrollos están preparados para producir familias de nuevos materiales adhesivos con propiedades superiores que probablemente encuentren usos en industrias que van desde la defensa y la nanotecnología hasta la atención médica y el deporte.
Los geckos son famosos por su excepcional capacidad de adherirse y correr sobre cualquier superficie vertical e invertida (excepto el teflón [3] ). Sin embargo, las patas de los geckos no son pegajosas de la forma habitual, como los adhesivos químicos. En cambio, pueden desprenderse de la superficie rápidamente y permanecer bastante limpias ante los contaminantes cotidianos, incluso sin necesidad de acicalarse.
Las dos patas delanteras de un gecko tokay pueden soportar 20,1 N de fuerza paralela a la superficie con 227 mm 2 de área de la almohadilla, [4] una fuerza hasta 40 veces el peso del gecko. Los científicos han estado investigando el secreto de esta extraordinaria adhesión desde el siglo XIX, y al menos siete posibles mecanismos para la adhesión de los geckos se han discutido en los últimos 175 años. Ha habido hipótesis de pegamento, fricción, succión, electrostática , micro-entrelazamiento y fuerzas intermoleculares . Las secreciones pegajosas fueron descartadas al principio del estudio de la adhesión de los geckos ya que los geckos carecen de tejido glandular en sus dedos. La hipótesis de la fricción también fue descartada rápidamente porque la fuerza de fricción solo actúa en cizallamiento, lo que no puede explicar las capacidades adhesivas de los geckos en superficies invertidas. La hipótesis de que las almohadillas de los dedos actúan como ventosas fue desmentida en 1934 por experimentos realizados en vacío en los que los dedos del geco permanecieron pegados. De manera similar, la hipótesis electrostática fue refutada por un experimento que demostró que los gecos podían seguir adheridos incluso cuando la acumulación de carga electrostática era imposible (como en una superficie metálica en aire ionizado por una corriente de rayos X). El mecanismo de microentrelazamiento que sugería que las puntas curvadas de las setas podían actuar como ganchos a microescala también fue cuestionado por el hecho de que los gecos generan grandes fuerzas adhesivas incluso en superficies molecularmente lisas.
Las posibilidades finalmente se redujeron a fuerzas intermoleculares, y el desarrollo de la microscopía electrónica en la década de 1950, que reveló la microestructura de las setas del pie del geco, proporcionó más pruebas para apoyar esta hipótesis. El problema fue finalmente resuelto en 2000 por un equipo de investigación dirigido por los biólogos Kellar Autumn del Lewis & Clark College en Portland, Oregón, y Robert Full en la Universidad de California en Berkeley. [6] Demostraron que la parte inferior del dedo del pie de un geco normalmente tiene una serie de crestas, que están cubiertas con filas uniformes de setas, y cada seta se divide a su vez en cientos de extremos partidos y puntas planas llamadas espátulas (ver figura a la derecha). Una sola seta del geco tokay mide aproximadamente 110 micrómetros de largo y 4,2 micrómetros de ancho. Cada una de las ramas de una seta termina en una espátula delgada y triangular conectada en su ápice. El extremo tiene aproximadamente 0,2 micrómetros de largo y 0,2 micrómetros de ancho. [5] La adhesión entre la pata del geco y las superficies es exactamente el resultado de la fuerza de Van der Waals entre cada seta y las moléculas de la superficie. Una sola seta puede generar hasta 200 μN de fuerza. [7] Hay aproximadamente 14.400 setas por milímetro cuadrado en la pata de un geco tokay, lo que da un total de aproximadamente 3.268.800 setas en las dos patas delanteras de un geco tokay. De la ecuación para el potencial intermolecular:
donde y son el número de contactos de las dos superficies, R es el radio de cada contacto y D es la distancia entre las dos superficies.
Observamos que la fuerza intermolecular, o en este caso la fuerza de van der Waals entre dos superficies, está dominada en gran medida por el número de contactos. Ésta es exactamente la razón por la que las patas del geco pueden generar una fuerza de adhesión extraordinaria a diferentes tipos de superficies. El efecto combinado de millones de espátulas proporciona una fuerza adhesiva muchas veces mayor que la que necesita el geco para colgarse del techo con un pie.
Las fuerzas sorprendentemente grandes generadas por los dedos de los pies del geco [8] plantearon la pregunta de cómo los gecos logran levantar sus pies tan rápidamente, en solo 15 milisegundos, sin fuerzas de desprendimiento mensurables. Kellar Autumn y su grupo de investigación descubrieron el "mecanismo de despegue" de los pies del geco. Su descubrimiento reveló que el adhesivo del geco en realidad funciona de una manera "programable" que al aumentar el ángulo entre el eje de la seta y el sustrato a 30 grados, sin importar cuán grande sea la fuerza adhesiva perpendicular, los gecos "desactivan" la adherencia ya que el aumento de la tensión en el borde posterior de la seta hace que los enlaces entre la seta y el sustrato se rompan. La seta luego regresa a un estado predeterminado sin carga. Por otro lado, al aplicar una precarga y arrastrarla a lo largo de la superficie, los gecos activan la adherencia modulada. Este mecanismo de "despegue" se puede mostrar en la figura de la derecha.
A diferencia de los adhesivos convencionales, el adhesivo para gecos se vuelve más limpio con el uso repetido y, por lo tanto, se mantiene bastante limpio en presencia de contaminantes cotidianos como arena, polvo, hojarasca y polen. Además, a diferencia de algunas plantas e insectos que tienen la capacidad de autolimpiarse mediante gotitas, no se sabe que los gecos se acicalen las patas para conservar sus propiedades adhesivas; todo lo que necesitan son unos pocos pasos para recuperar su capacidad de adherirse a superficies verticales.
Kellar Autumn y su grupo de investigación han llevado a cabo experimentos para probar y demostrar esta capacidad del geco. [9] También utilizan el modelo mecánico de contacto para sugerir que la autolimpieza se produce por un desequilibrio energético entre las fuerzas adhesivas que atraen una partícula de suciedad al sustrato y las que atraen la misma partícula a una o más espátulas. En otras palabras, la energía de interacción de Van der Waals para el sistema partícula-pared requiere un número suficientemente grande de sistemas partícula-espátula para contrarrestarla; sin embargo, relativamente pocas espátulas pueden realmente adherirse a una sola partícula, por lo tanto, las partículas contaminantes tienden a adherirse a la superficie del sustrato en lugar de al dedo del pie del geco debido a este desequilibrio. La figura de la derecha muestra el modelo de interacción entre N espátulas, una partícula de suciedad y una pared plana.
Es importante saber que esta propiedad de autolimpieza parece ser intrínseca a la nanoestructura de las setas y, por lo tanto, debería poder reproducirse en materiales adhesivos sintéticos. De hecho, el grupo de Kellar Autumn observó cómo la autolimpieza todavía se producía en conjuntos de setas cuando se aislaban de los gecos utilizados.
Los descubrimientos sobre las patas del geco llevaron a la idea de que estas estructuras y mecanismos podrían aprovecharse en una nueva familia de adhesivos, y grupos de investigación de todo el mundo están investigando este concepto. Y gracias al desarrollo de la nanociencia y la tecnología, ahora se pueden crear adhesivos biomiméticos inspirados en las setas del geco utilizando nanoestructuras . De hecho, el interés y los nuevos descubrimientos en los adhesivos de tipo geco están en auge, como lo ilustra el creciente número de artículos publicados sobre este tema. [10] Sin embargo, las setas sintéticas aún se encuentran en una etapa muy temprana.
El diseño eficaz de adhesivos similares a los de los gecos requerirá una comprensión profunda de los principios subyacentes a las propiedades observadas en el sistema natural. Estas propiedades, principios y parámetros relacionados del sistema adhesivo de los gecos se muestran en la siguiente tabla. [11] Esta tabla también nos da una idea de cómo los científicos traducen esas buenas propiedades de las setas de los gecos (como se muestra en la primera columna) en los parámetros que realmente pueden controlar y diseñar (como se muestra en la tercera columna).
*JKR se refiere al modelo de adhesión de Johnson, Kendall y Roberts [12]
En resumen, los parámetros clave en el diseño del adhesivo sintético para geckos incluyen:
Existe una lista creciente de propiedades de referencia que se pueden utilizar para evaluar la eficacia de las setas sintéticas, y el coeficiente de adhesión, que se define como:
donde es la fuerza de precarga aplicada y es la fuerza de adhesión generada. El coeficiente de adhesión de las cerdas del geco real es típicamente de 8 a 16.
En los primeros desarrollos de setas sintéticas, se utilizaron con frecuencia polímeros como la poliimida , el polipropileno y el polidimetilsiloxano (PDMS), ya que son flexibles y fáciles de fabricar. Más tarde, a medida que la nanotecnología se desarrolló rápidamente, los nanotubos de carbono (CNT) fueron los preferidos por la mayoría de los grupos de investigación y se utilizaron en los proyectos más recientes. Los CNT tienen una relación longitud-diámetro mucho mayor que los polímeros y exhiben una resistencia y flexibilidad extraordinarias, así como buenas propiedades eléctricas. Son estas nuevas propiedades las que hacen que las setas sintéticas sean más efectivas.
Se aplican varias técnicas de fabricación de MEMS / NEMS a la fabricación de setas sintéticas, que incluyen fotolitografía / litografía por haz de electrones , grabado de plasma , grabado de iones reactivos profundos (DRIE), deposición química de vapor (CVD) y micromoldeo, etc.
En esta sección se darán varios ejemplos típicos para mostrar el proceso de diseño y fabricación de cerdas sintéticas. A partir de estos ejemplos también podremos obtener una idea del desarrollo de esta tecnología biomimética en los últimos años.
Este ejemplo es uno de los primeros desarrollos de setas sintéticas, que surgió de una colaboración entre el Centro de Mesociencia y Nanotecnología de Manchester y el Instituto de Tecnología Microelectrónica de Rusia. El trabajo comenzó en 2001 y dos años más tarde los resultados se publicaron en Nature Materials. [13]
El grupo preparó fibras flexibles de poliimida como estructuras de setas sintéticas en la superficie de una película de 5 μm de espesor del mismo material utilizando litografía de haz de electrones y grabado en seco en un plasma de oxígeno . Las fibras tenían 2 μm de largo, con un diámetro de alrededor de 500 nm y una periodicidad de 1,6 μm, y cubrían un área de aproximadamente 1 cm2 ( ver figura de la izquierda). Inicialmente, el equipo utilizó una oblea de silicio como sustrato, pero descubrió que el poder adhesivo de la cinta aumentaba casi 1000 veces si usaban un sustrato de unión suave como la cinta Scotch. Esto se debe a que el sustrato flexible produce una proporción mucho mayor del número de setas en contacto con la superficie sobre el número total de setas.
El resultado de esta "cinta adhesiva para gecos" se comprobó colocando una muestra en la mano de una figura de plástico de Spider-Man de 15 cm de alto y 40 g de peso, lo que permitió que se adhiriera a un techo de cristal, como se muestra en la figura. La cinta, que tenía una superficie de contacto de unos 0,5 cm2 con el cristal, fue capaz de soportar una carga de más de 100 g. Sin embargo, el coeficiente de adhesión fue de tan solo 0,06, lo que es bajo en comparación con los gecos reales (8~16).
A medida que se desarrollan la nanociencia y la nanotecnología, más proyectos involucran la aplicación de la nanotecnología, en particular el uso de nanotubos de carbono (CNT). En 2005, investigadores de la Universidad de Akron y el Instituto Politécnico Rensselaer , ambos en los EE. UU., crearon estructuras de setas sintéticas depositando CNT de paredes múltiples por deposición química de vapor sobre sustratos de cuarzo y silicio [15].
Los nanotubos tenían un diámetro típico de entre 10 y 20 nm y una longitud de unos 65 μm. A continuación, el grupo encapsuló los nanotubos alineados verticalmente en polímero PMMA antes de exponer los 25 μm superiores de los tubos mediante el grabado de una parte del polímero. Los nanotubos tendían a formar haces enredados de unos 50 nm de diámetro debido al proceso de secado con disolvente utilizado después del grabado (como se muestra en la figura de la derecha).
Los resultados se probaron con un microscopio de sonda de barrido y mostraron que la fuerza mínima por unidad de área era de 1,6 ± 0,5 × 10 −2 nN/nm 2 , que es mucho mayor que la cifra que el equipo estimó para la fuerza adhesiva típica de las setas de un geco, que era de 10 −4 nN/nm 2 . Experimentos posteriores [16] con las mismas estructuras en cinta adhesiva revelaron que este material podía soportar una tensión de corte de 36 N/cm 2 , casi cuatro veces mayor que la de una pata de geco. Esta fue la primera vez que las setas sintéticas exhibieron mejores propiedades que las de la pata de geco natural. Además, este nuevo material puede adherirse a una variedad más amplia de materiales, incluidos el vidrio y el teflón.
Sin embargo, este nuevo material tiene algunos problemas. Cuando se tira de él en paralelo a una superficie, la cinta se suelta, no porque los nanotubos de carbono pierdan adherencia a la superficie, sino porque se rompen y, en este caso, la cinta no se puede reutilizar. Además, a diferencia de las cerdas del geco, este material solo funciona en áreas pequeñas (aproximadamente 1 cm2 ) . Los investigadores están trabajando actualmente en varias formas de fortalecer los nanotubos y también tienen como objetivo hacer que la cinta se pueda reutilizar miles de veces, en lugar de las docenas de veces que se puede utilizar ahora.
Aunque la mayoría de los desarrollos se centran en la adhesión en seco, un grupo de investigadores estudió cómo los derivados de compuestos adhesivos naturales de los moluscos podrían combinarse con estructuras tipo geco para producir adhesivos que funcionen tanto en condiciones secas como húmedas . [17]
El adhesivo resultante, llamado 'geckel', fue descrito como un conjunto de pilares de silicona de 400 nm de ancho, imitadores de gecos, fabricados mediante litografía por haz de electrones y recubiertos con un polímero imitador de mejillones, una forma sintética del aminoácido que se encuentra de forma natural en los mejillones (izquierda). [ aclaración necesaria ] .
A diferencia del pegamento para gecos, el material depende de las fuerzas de van der Waals para sus propiedades adhesivas y de la interacción química de la superficie con los grupos hidroxilo de la proteína del mejillón. El material mejora la adhesión en húmedo 15 veces en comparación con las matrices de pilares sin revestimiento. La denominada cinta "geckel" se adhiere a través de 1000 ciclos de contacto y desprendimiento, adhiriéndose firmemente tanto en entornos húmedos como secos.
Hasta ahora, el material se ha probado en nitruro de silicio , óxido de titanio y oro, todos ellos utilizados en la industria electrónica. Sin embargo, para que se pueda utilizar en vendajes y cintas médicas, una aplicación potencial clave, debe poder adherirse a la piel humana. Los investigadores probaron otras proteínas sintéticas inspiradas en los mejillones que tienen grupos químicos similares y descubrieron que se adhieren al tejido vivo. [17]
Geckel es un adhesivo que se puede adherir tanto a superficies húmedas como secas. Su fuerza "se debe a que recubre una silicona fibrosa, de estructura similar a la pata de un geco, con un polímero que imita el 'pegamento' que utilizan los mejillones". [18]
El equipo se inspiró en los gecos , que pueden soportar cientos de veces su propio peso corporal. Los gecos dependen de miles de millones de estructuras similares a pelos, conocidas como setas , para adherirse. Los investigadores combinaron esta capacidad con el poder de adherencia de los mejillones. Las pruebas mostraron que "el material podía pegarse y despegarse más de 1.000 veces, incluso cuando se usaba bajo el agua", conservando el 85 por ciento de su fuerza adhesiva. [19] [20] [21]
Phillip Messersmith, investigador principal del equipo que desarrolló el producto, cree que el adhesivo podría tener muchas aplicaciones médicas, por ejemplo, cintas que podrían reemplazar suturas para cerrar una herida y un adhesivo resistente al agua para vendajes y parches de administración de medicamentos. [18]
Para que estos adhesivos se puedan producir comercialmente, serán necesarias técnicas de fabricación automatizadas y de gran volumen, que varios grupos de investigación estaban investigando. Un grupo dirigido por Metin Sitti de la Universidad Carnegie Mellon estudió [ ¿cuándo? ] una variedad de técnicas diferentes, entre las que se incluyen el grabado iónico reactivo profundo (DRIE), que se ha utilizado con éxito para fabricar matrices de fibras poliméricas con forma de hongo, procesos de micromoldeo, autoensamblaje directo y fotolitografía. [ cita requerida ]
En 2006, los investigadores del Centro de Tecnología Avanzada de BAE Systems en Bristol, Reino Unido, anunciaron que habían producido muestras de "gecko sintético" (conjuntos de pelos de poliimida en forma de hongo) mediante fotolitografía, con diámetros de hasta 100 μm. Se demostró que se adhieren a casi cualquier superficie, incluidas las cubiertas de suciedad, y se midió una fuerza de desprendimiento de 3.000 kg/m2. [ cita requerida ] Más recientemente, la empresa ha utilizado la misma técnica para crear moldes de silicona con patrones para producir el material y ha sustituido la poliimida por polidimetilsiloxano (PDMS). Este último material mostró una resistencia de 220 kPa. La fotolitografía tiene la ventaja de ser ampliamente utilizada, bien entendida y escalable hasta áreas muy grandes de forma económica y sencilla, lo que no es el caso de algunos de los otros métodos utilizados para fabricar materiales prototipo. [ cita requerida ]
En 2019, los investigadores de Akron Ascent Innovations, LLC, una empresa derivada de la tecnología de la Universidad de Akron , anunciaron la disponibilidad comercial de los adhesivos secos de la marca "ShearGrip". [22] En lugar de confiar en la fotolitografía u otras estrategias de microfabricación, los investigadores emplearon el electrohilado para producir fibras de diámetro pequeño basándose en el principio de división por contacto explotado por los geckos. El producto ha informado de una resistencia al corte superior a 80 libras por pulgada cuadrada, con una eliminación limpia y reutilización en muchas superficies, y la capacidad de laminar el material en varios tipos de superficies en construcciones de una o dos caras. [23] Se afirma que el enfoque es más escalable que otras estrategias para producir setas sintéticas y se ha utilizado para producir productos para los mercados de consumo bajo la marca Pinless.
Las setas sintéticas, también conocidas como "cinta de geco", han tenido una amplia gama de aplicaciones, desde la nanotecnología y los usos militares hasta la atención de la salud y el deporte.
La " cinta nano " (también llamada "cinta gecko") se vende a menudo en el mercado como cinta adhesiva de doble cara . Se puede utilizar para colgar objetos ligeros, como cuadros y elementos decorativos, en paredes lisas sin necesidad de hacer agujeros en ellas. Los conjuntos de nanotubos de carbono no dejan residuos tras su retirada y pueden permanecer pegajosos a temperaturas extremas. [24]
Todavía no existe ninguna máquina que pueda maniobrar en el régimen "escansorial", es decir, que pueda actuar con agilidad en entornos de terreno vertical general sin perder competencia en operaciones en terreno nivelado. El desarrollo de la robótica escansorial enfrenta dos desafíos de investigación importantes: primero, buscan comprender, caracterizar e implementar la dinámica de la escalada (fuerzas de reacción en la pared, trayectorias de las extremidades, interacciones con la superficie, etc.); y segundo, deben diseñar, fabricar e implementar tecnologías de parches adhesivos que brinden propiedades de adhesión y fricción adecuadas para facilitar las interacciones necesarias con la superficie.
A medida que avanza la robótica con patas , la investigación ha comenzado a centrarse en el desarrollo de escaladores robustos. Se han desarrollado varios robots que trepan superficies verticales planas utilizando succión, imanes y conjuntos de pequeñas espinas para fijar sus pies a la superficie.
La plataforma RiSE fue desarrollada en el Laboratorio de Biomimética y Manipulación Diestra de la Universidad de Stanford. Tiene doce grados de libertad (DOF), con seis mecanismos idénticos de dos DOF espaciados de manera uniforme en pares a lo largo del cuerpo. Dos actuadores en cada cadera impulsan un mecanismo de cuatro barras, que se convierte en movimiento del pie a lo largo de una trayectoria prescrita, y posiciona el plano del mecanismo de cuatro barras de manera angular con respecto a la plataforma. Para que el robot RiSE tenga éxito en la escalada tanto en entornos naturales como artificiales, se ha demostrado que es necesario utilizar múltiples mecanismos de adhesión. El robot RiSE no lo hace, pero utilizará adhesión seca en combinación con espinas. [25]
Más recientemente, se han desarrollado robots que utilizan materiales adhesivos sintéticos para escalar superficies lisas como el vidrio.
Estos robots trepadores y de orugas se pueden utilizar en el contexto militar para examinar las superficies de las aeronaves en busca de defectos y están empezando a sustituir a los métodos de inspección manuales. Los robots trepadores actuales utilizan bombas de vacío y ventosas de alta resistencia que podrían sustituirse por este material.
Los investigadores de la Universidad de Stanford también han creado un robot llamado Stickybot que utiliza sedas sintéticas para escalar incluso superficies verticales extremadamente lisas tal como lo haría un geco. [26] [27]
Stickybot es una materialización de las hipótesis sobre los requisitos de movilidad en superficies verticales mediante adherencia en seco. El punto principal es que necesitamos una adherencia controlable. Los ingredientes esenciales son:
Otro ejemplo similar es el “Geckobot”, desarrollado en la Universidad Carnegie Mellon, [28] que ha trepado en ángulos de hasta 60°.
Los adhesivos basados en cerdas sintéticas se han propuesto como un medio para recoger, mover y alinear piezas delicadas como circuitos ultraminiatura, nanofibras y nanopartículas, microsensores y micromotores. En el entorno de escala macro, podrían aplicarse directamente a la superficie de un producto y reemplazar las uniones basadas en tornillos, remaches, pegamentos convencionales y lengüetas entrelazadas en productos manufacturados. De esta manera, se simplificarían tanto los procesos de montaje como de desmontaje. También sería beneficioso reemplazar el adhesivo convencional con adhesivo gecko sintético en un entorno de vacío (por ejemplo, en el espacio), ya que el ingrediente líquido del adhesivo convencional se evaporaría fácilmente y provocaría que la conexión fallara. [ cita requerida ]
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