La structure spéciale des pieds des sauterelles a inspiré les scientifiques de l'Université de Kiel pour un système d'adhérence artificielle qui fonctionne sur différentes surfaces. Crédit :Stanislav Gorb
Dans leur vie de tous les jours, les insectes doivent souvent faire face à des surfaces rugueuses et lisses ainsi qu'à des surfaces collantes. Ils obtiennent une prise ferme grâce à des crochets spéciaux ou de minuscules poils sur leurs pieds. Bien que ces différentes exigences ne soient pas un problème pour de nombreux insectes, les applications techniques sont moins flexibles. Ils sont généralement spécialement développés pour une application particulière, comme les pneus d'été ou d'hiver, par exemple, et ne sont pas capables de s'adapter à différentes surfaces. Inspiré par la structure spéciale des pieds de sauterelle, une équipe de recherche interdisciplinaire de l'Université de Kiel (CAU) a maintenant développé un système de friction artificiel qui fonctionne sur une grande variété de surfaces. Leur combinaison d'une membrane en silicone souple, rempli de granulés fins, s'adapte à presque toutes les surfaces et crée une prise ferme sous une légère pression. La méthode de production simple permet également des applications industrielles, tel que rapporté par l'équipe de recherche dans le numéro actuel de la revue scientifique Interfaces de matériaux avancées .
Basculement entre les propriétés des matériaux souples et durs
Une prise ferme nécessite une bonne surface de contact ainsi qu'une transmission stable de la force en même temps. "Afin de coller sur différentes surfaces, il faut basculer entre le comportement des matériaux mous et durs, ce qui est en fait une contradiction dans les termes, " a expliqué Stanislav Gorb, Professeur de Morphologie Fonctionnelle et Biomécanique au CAU. Alors que les matériaux souples permettent une grande surface de contact avec la grande variété de textures de surface, les matériaux durs permettent une transmission optimale de la force. Par conséquent, l'expert en bionique et son équipe ont cherché un moyen de basculer entre les deux propriétés des matériaux. En outre, ils voulaient une solution simple et économique à produire, de sorte qu'il peut également être utilisé pour des applications industrielles.
Ils ont été inspirés par les pieds spéciaux des sauterelles, qui se caractérisent par de petits, appendices en forme de coussin. Dans des recherches antérieures, Gorb et son équipe ont pu montrer que ces coussins sont recouverts d'un film semblable à du caoutchouc, qui assure un bon contact frictionnel et adhésif avec la surface. D'autre part, l'intérieur des coussins est constitué de fibres particulièrement stables qui peuvent transmettre une grande force. Recréer une telle structure fibrillaire serait trop chronophage et trop coûteux pour des applications industrielles, toutefois.
Inspiré des pieds de sauterelle :La membrane élastique du système adhésif développé chez CAU s'adapte bien aux surfaces irrégulières. Si une légère pression lui est appliquée dans la deuxième étape, les particules granulaires à l'intérieur se rapprochent. Cela augmente la rigidité de l'ensemble du matériau et il ne peut pas être déplacé à partir de l'endroit. Crédit :Halvor Tramsen
Maintenant, l'équipe de recherche de Kiel a démontré un effet similaire pour les granulés, c'est-à-dire un matériau à grain fin. Faire cela, ils ont utilisé un principe de "transition de brouillage". "Vous savez qu'à partir du café sous vide :la poudre de café est comprimée et forme une masse dense, aussi dur qu'un roc. Lorsque le paquet est ouvert pour la première fois, la poudre se détache, et se comporte donc tout à fait différemment, comme un fluide, " a décrit Halvor Tramsen, qui, avec Lars Heepe, est l'un des physiciens de l'équipe de recherche.
Forces de frottement élevées sur lisse, surfaces structurées et sales
Ils ont enrobé le granulé d'une membrane souple et testé les propriétés de friction de leur « coussin granulaire » GMFP (granular medium friction pad) sur des surfaces lisses, surfaces structurées et sales. Grâce à la membrane douce et extensible, le coussin adhère parfaitement aux différentes surfaces. Les scientifiques ont alors exercé une pression sur le coussin, qui a compacté le granulé à l'intérieur, et solidifié tout le coussin. Cette rigidité et la grande surface de contact avec la surface génèrent ensemble des forces de frottement élevées à travers lesquelles le coussin ne peut plus être déplacé. Le coussin présentait une friction élevée similaire sur les trois types de surfaces d'essai.
La housse flexible s'adapte même aux surfaces rugueuses de sorte que le coussin en silicone ne peut pas être déplacé, même sous forte pression. Crédit :Siekmann, CAU
Le fonctionnement du principe de friction du coussin de granulés sur d'autres surfaces est illustré par un modèle développé par le professeur Alexander Filippov, un physicien théoricien et Georg Forster Research Fellow dans le groupe de travail de Kiel. Son modèle numérique a également permis de tester l'interaction du granulat et de la membrane pour d'autres matériaux et tailles de particules.
"Dans notre prototype, nous avons utilisé du silicone élastique pour le couvercle et l'avons rempli de marc de café séché, " expliqua Gorb. En raison de leur taille et de leur forme rugueuse, ces particules s'emmêlent très facilement, et l'effet de transition de brouillage, c'est-à-dire l'alternance entre les propriétés des matériaux mous et durs, fonctionne particulièrement bien. En principe, il est certainement envisageable d'utiliser également du marc de café séché pour des applications industrielles avec des avantages de recyclage. Après tout, ce résidu de café est facilement disponible, exempt de polluants et bon marché, dit Gorb. Des recherches sur d'autres matériaux granulaires et surfaces membranaires sont déjà prévues.
