halten und loslassen

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weicher
Eigenschaft Funktion
Dimension und Dichte
Seitenverhältnis
Neigung
Hierarchie
Kontaktfläche
Asymmetrie
Geeignete Bewegungen
Materialgradient
Haftreduzierende
Nanostrukturen
Diese Strukturen verhindern
das Haften zwischen den Härchen
Einige Prinzipien (Eigenschaften), nach denen biologische reversible Haftsysteme
arbeiten und ihre Beziehung zu spezifischen Funktionen.
Die resultierende Wirkung, die zur Erzeugung starker Haftung erforderlich ist, ist auf der rechten Seite gezeigt. Die Pfeile geben
an, ob die Funktion durch ein bestimmtes Konstruktionsmerkmal verbessert oder verschlechtert wird. Die gleichzeitige Umsetzung
all dieser Merkmale in einem einzigen künstlichen System ist erstrebenswert, aber nahezu unmöglich. Je nach den Anforderungen
an ein bestimmtes biologisch inspiriertes Material oder System, kann jedoch ein Prinzip oder eine Kombination aus
einigen dieser biologischen Erkenntnissen umgesetzt werden.
Rückenansicht von der Beinspitze bei der Fliege Musca domestica.
Sichtbar sind die lappenartige Haftläppchen (Pulvilli) und Krallen
Nachgiebigkeit
Kontaktgröße
Anpassungsfähigkeit an
das Oberflächenprofil
Speicherung
elastischer Energie
Verunreinigung
Adhäsion
(Abreisskraft)
Faserverklebung
Effekt
Ermöglicht durch den Einsatz neuester experimenteller
Techniken, Hochgeschwindigkeits-Videoaufnahmen,
Kraftmessungen und aufwändige Mikroskopieverfahren
kam in den vergangenen zehn Jahren starkes Interesse an
biologischen Haftsystemen auf. Es stellte sich heraus,
dass biologische Haftstrukturen wichtige Eigenschaften
im Hinblick auf Evolutions- und ökologische Untersuchungen
besitzen. Zudem bergen detaillierte Informationen
über Haftstrukturen und -mechanismen ein großes
Potenzial für biomimetische Anwendungen.
Die Wissenschaftler in unserer Forschungsgruppe
haben in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern
mehrere funktionelle Prinzipien der Mikrohärchen erstmals
erfolgreich in einem künstlichen Haftmaterial nachgeahmt.
Die Haftkraft der biomimetischen Struktur beruht
auf Mikrostrukturen, die wie winzige Pilze geformt
sind. Nach Untersuchung von mehr als 300 verschiedenen
Haftsystemen (siehe Abbildungen) haben wir uns
für das Design einer Mikrostruktur entschieden, die bei
Fußsohlen der Männchen verschiedener Käferarten oft
vorkommt.
Wenige Quadratzentimeter des mikrostrukturierten
Materials halten an Glaswänden mit glatten Oberflächen
einige Kilogramm schwere Gegenstände; an der Decke
allerdings bis zu zehnmal weniger Gewicht. Glatte Strukturen,
also etwa Glas oder poliertes Holz, eignen sich gut
als Untergrund für solche Haftstreifen – Raufasertapete
dagegen kaum. Auch Insekten haben Schwierigkeiten,
auf Oberflächen mit feiner Rauigkeit zu laufen, dies ist
ein grundsätzliches Problem des Haftmechanismus.
Nach dem Ablösen hinterlässt das Material auf der
Oberfläche keine sichtbaren Spuren und haftet auch
noch, nachdem es Hunderte Male angebracht und wieder
abgerissen wurde. Wenn es verschmutzt ist, lässt es sich
im Gegensatz zu Klebestreifen sogar waschen, ohne seine
Haftkraft einzubüßen. Verwenden lässt sich das haa-
Mikroskopische Aufnahme der biomimetischen Oberflächenstruktur
des synthetischen Haftmaterials. Das von Insektenfußsohlen
inspirierte Material (ocker) haftet an Glas (blau).
rige Haftmaterial unter anderem als Schutzfolie für empfindliche
Gläser oder einfach als wiederbenutzbarer
Klebestreifen – Kühlschrankmagnete ade, jetzt kommen
die Mikrohärchen, die zudem an Spiegel, Schrank und
Scheibe halten. Auch bei dynamischen Vorgängen bewies
das Material schon seine Leistungsfähigkeit: Ein 120
Gramm schwerer Roboter konnte mit den künstlichen
Haftfasern an der Fußsohle eine senkrechte Glaswand
ersteigen.
Bei der Herstellung dient – wie beim Kuchenbacken
– eine Form als Vorlage, in die gleichsam als Negativbild
die gewünschte Oberfläche eingegossen ist. In diese
Form wird ein polymerisierendes Gemisch eingefüllt.
Nach dem Aushärten wird der Kunststoff von der Vorlage
getrennt. Die Konstruktion der Mikrostruktur-Kuchenform
bildete die größte Herausforderung. Aber auch die
Optimierung der Polymer-Mischung kostete viel Geduld:
Ist sie zu flüssig, fließt sie einfach aus der Form heraus.
Ist sie zu viskos, gelangt sie gar nicht erst hinein. Derzeit
laufen umfangreiche Versuche zur Verbesserung des Polymers.
Es gilt, die Strukturen zu verfeinern und etwa
dafür sorgen, dass es auch unter Wasser haftet oder sich
■ 01/09