Der Unterwasser-„Verkehr“ umfasst eine faszinierende Vielfalt an Lebewesen, von Fischen mit ihrer anmutigen Schwimmhaltung bis hin zu düsengetriebenen Quallen und Remoras, die auf anderen Organismen mitreiten. Unter diesen sticht eine bemerkenswerte Art namens „Unterwassergecko“ hervor, der Felskletterfisch (Beaufortia kweichowensis). Dieses außergewöhnliche Geschöpf verfügt über einzigartige Fähigkeiten: Es kann schnell wie ein Schlittschuhläufer über Unterwasseroberflächen gleiten, gegen Wasserströmungen kriechen und mit bemerkenswerter Haftkraft sicher an einer festen Position haften.
Kürzlich wurde eine Zusammenarbeit zwischen dem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Lianqing Liu am Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Institutionen wie dem Chengdu Institute of Biology, der Chinese Medical University, der Tsinghua University und der University of Hong Kong durchgeführt. hat Licht auf die streng gehüteten Geheimnisse hinter der dynamischen Adhäsion und den schnellen Kriechbewegungen der Kletterfische geworfen.
Das Team hat außerdem einen biomimetischen Unterwasser-Haft-Gleit-Roboter entworfen, der von felskletternden Fischen inspiriert ist. Dieser innovative Roboter kann eine feste Haftung auf einem sich bewegenden Schiffsmodell erreichen und sanft unter Wasser gleiten.
Das Forschungsteam betonte, dass die beeindruckende Adhäsionsfähigkeit des Climbot es ihm ermöglicht, sich mit einer Kraft festzuhalten, die dem 1.000-fachen seines Gewichts entspricht, und gleichzeitig ein bemerkenswertes Gleiten mit einer Geschwindigkeit von 7,83-fachen seiner Körperlänge pro Sekunde zu erreichen.
Der Mechanismus, der dieser einzigartigen dynamischen adaptiven Adhäsionsfähigkeit zugrunde liegt, ist seit langem ein Rätsel und fasziniert Forscher auf dem Gebiet der Unterwasserrobotik. Das Ausbalancieren einer starken Oberflächenhaftung mit agilem und schnellem Gleiten stellt eine große Herausforderung dar, da eine erhöhte Haftung oft zu einer erhöhten Oberflächenkontaktbelastung führt.
Der Climbot haftete am Boden des Schiffes, um das Trampen zu ermöglichen. Nach einer einminütigen Steuerung der Fahrtrichtung des Schiffes im Fluss mit einer Geschwindigkeit von 1,5–2 m/s betrug die Wellenhöhe 0,1 m bis 0,2 m. Der Climbot war immer noch fest mit dem Schiffsboden verbunden. Durch Einschalten des Propellers kann der Climbot schließlich auf der Bodenoberfläche kriechen. Bildnachweis: Science China Press
Prof. Liu sagte: „Normalerweise beruht die reversible Adhäsion unter Wasser auf einem Unterdruck-Adhäsionsmechanismus, ein System, das auch von Felskletterfischen übernommen wird. Das Geheimnis liegt jedoch in der Tatsache, dass auch andere Lebewesen wie Remoras und Kraken Negativdruck nutzen.“ Druckadhäsion kann kein Oberflächengleiten wie der Felskletterfisch ausführen.
Das Geheimnis der außergewöhnlichen Adhäsions- und Gleitfähigkeit des Felskletterfisches liegt in den Borstenstrukturen an den Rändern seiner Saugnäpfe. Diese Setae mit einem Durchmesser von 4 bis 6 Mikrometern und einer Länge von 12 bis 14 Mikrometern verwandeln die Kontaktfläche mit Wasser unter dem Einfluss der Stefan-Kraft in eine „klebrige“ gelartige Substanz, wodurch die Saugnäpfe fest an der Oberfläche befestigt und erzeugt werden eine dynamische Wassersperre.
Dieser einzigartige Saugnapf kann seinen weichen Bauch passiv verformen, um externen Ablösungskräften entgegenzuwirken, oder seinen Bauch aktiv zusammenziehen, um eine starke Adhäsionskraft zu erzeugen und sich sicher an einer bestimmten Position zu verankern. Darüber hinaus wirkt der an der Kontaktschnittstelle vorhandene Wasserfilm während der Bewegung als „Schmierfilm“, der den Reibungswiderstand verringert und ein reibungsloses Gleiten auf der Oberfläche erleichtert. Dieser ausgeklügelte Mechanismus gleicht den Konflikt zwischen starker Haftung und schnellem Gleiten effektiv aus.
Inspiriert von dieser Entdeckung nutzte das Forschungsteam erfolgreich Mikro-Nano-Lithographie und Formtechniken, um Setae-Anordnungen herzustellen, sie in 3D-gedruckte weiche Saugnäpfe zu integrieren und eine Steuereinheit zu integrieren, um den Climbot, einen unter Wasser haftenden und gleitenden Roboter, zu entwerfen und herzustellen Roboter. Der Climbot kann fest an der Oberfläche eines sich bewegenden Schiffsmodells haften und mühelos unter Wasser gleiten.
Diese bahnbrechende Forschung zeigt eine neuartige Fortbewegung unter Wasser, und die potenziellen Anwendungen der Unterwasser-Saug-Kriechroboter-Technologie von Climbot bieten vielversprechende Aussichten in den Bereichen Meereswissenschaften, Unterwassererkundung und Meerestechnik.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Wenjun Tan et al.: Entdecken Sie das Geheimnis kletternder Fische, wie sie für bioinspirierte Roboter feste Haftung und schnelles Gleiten in Einklang bringen. National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad183