Oktopus-inspirierter Klebstoff ermöglicht präzises Greifen und Loslassen von Unterwasserobjekten

Virginia Tech University, Blacksburg, VA

Graduiertenstudent Chanhong Lee testet den oktopus-inspirierten Saugnapf im Labor. (Bild: Alex Parrish für Virginia Tech)

Die Nutzung von naturinspirierten Mechanismen zur Schaffung neuer technologischer Innovationen ist ein Markenzeichen eines Virginia Tech Forschungsteams. Die Gruppe unter Leitung von Associate Professor Michael Bartlett hat einen oktopus-inspirierten Klebstoff entwickelt, inspiriert von der Form von Oktopus-Saugern, der herausfordernde Unterwasserobjekte schnell greifen und kontrolliert loslassen kann.

Die Fähigkeit, diese Unterwasserobjekte wie schwere Felsen, kleine Muscheln, weiche Perlen und andere Trümmer zu greifen und loszulassen, könnte ein mächtiges Werkzeug für Unterwasserbergung und sogar Rettungsoperationen sein. Ihre Ergebnisse wurden in Advanced Science veröffentlicht.

Diese Arbeit wurde mit Undergraduate-Forschern Austin Via, Aldo Heredia und Daniel Adjei von Virginia Tech durchgeführt. Graduate Research Assistant Chanhong Lee war Erstautor des Papers, das Forschung berichtete, unterstützt von der National Science Foundation durch das Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future Programm.

„Ich bin fasziniert davon, wie ein Oktopus in einem Moment etwas stark halten kann, dann es sofort loslässt. Er macht das unter Wasser, an Objekten, die rau, gekrümmt und unregelmäßig sind – das ist ganz schön eine Leistung“, sagte Bartlett.

Um diese langjährige Herausforderung zu überwinden, schauten Bartlett und sein Team auf die Form des Oktopus. Speziell schauten sie auf die äußere Struktur des Oktopus-Saugers, genannt Infundibulum. Das inspirierte die Forscher, einen Klebstoff zu erstellen, der einen elastischen, gekrümmten Stiel mit einer aktiven, deformierbaren Membran nutzt, die ihre Form für Mehrflächenadhäsion ändert.

Der gekrümmte Stiel haftet an großskaligen Krümmungen, während er Anpassungsfähigkeit an kleinskalige Rauheit erhöht. Diese Mechanismen wirken in Synergie, um Adhäsion über mehrere Längenskalen zu verbessern.

Dies resultierte in oktopus-inspirierten Klebstoffen, die im aktivierten Zustand 1.000-mal stärker sind im Vergleich zum leichten Loslasszustand. Wichtig: Dieser Schaltvorgang erfolgt innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde, etwa 30 Millisekunden. Die oktopus-inspirierten Klebstoffe erreichen jetzt hohe Anhaftungsfestigkeit auf diversen Oberflächen, einschließlich rauer, gekrümmter und unregelmäßiger Objekte sowie in verschiedenen Flüssigkeiten. Mit diesem neuen Werkzeug könnte ein Taucher ein rutschiges Objekt halten, ohne übermäßiges Drücken anzuwenden, und es auch schnell mit schnellem Schalten schnappen.

Weil Oktopus-Sauger aus lebendem Gewebe bestehen, verformen, erweitern und kontrahieren sie, um dem Job anzupassen, dem sie sich nähern. Das gibt dem Tier nicht nur einen stärkeren Griff, sondern auch Vielseitigkeit, seinen Halt anzupassen, wenn es Objekte findet, die glatt oder rau, winklig oder flach sind.

Mit dem neuen oktopus-inspirierten Klebstoff können Teammitglieder eine breite Palette herausfordernder Unterwasserobjekte aufnehmen, halten und loslassen, einschließlich weicher und harter Materialien, die flach, rau und sogar gekrümmt sind.

Diese Fähigkeit wurde durch das Konstruieren eines Unterwasser-Cairns demonstriert, einem sorgfältig konstruierten Haufen Unterwasserfelsen. Hier haben die Felsen verschiedene Größen, Formen und Oberflächenrauheit und müssen aufgenommen, aber auch präzise losgelassen werden, um die Struktur im Gleichgewicht zu halten. Gleichzeitig können sie auch weiche, gallertartige Perlen mit Leichtigkeit greifen und loslassen.

„Diese Arten von Manipulationen werden von einem Oktopus durchgeführt, während sie Objekte um ihren Bau arrangieren“, sagte Lee. „Diese Demonstration hebt die Fähigkeit des oktopus-inspirierten Klebstoffs hervor, schwierige Unterwasserobjekte präzise zu manipulieren.“

Die Materialien zeigen auch zuverlässige Anhaftung über mehrere Zyklen und über einen längeren Zeitraum. In einem Experiment blieb die Anhaftungskraft über 100 Zyklen konstant. In einem anderen Test hielt das Team einen rauen, gekrümmten Felsen über sieben Tage unter Wasser, dann ließ sie ihn auf Verlangen los. Besonders in Bergungsanwendungen, wo das Halten eines Objekts über einen längeren Zeitraum kritisch sein könnte.

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