Une équipe d'ingénieurs et de biologistes marins a construit une meilleure ventouse inspirée du mécanisme qui permet au clingfish d'adhérer à la fois aux surfaces lisses et rugueuses, comme des rochers dans la zone où la marée va et vient.

Les chercheurs ont procédé à une ingénierie inverse du disque d'aspiration du clingfish et ont développé des dispositifs qui s'accrochent bien aux objets humides et secs à la fois hors de l'eau. Les appareils peuvent supporter des centaines de fois leur propre poids. Ils pourraient être utilisés dans un large éventail d'applications allant de la manipulation et de l'emballage des produits, aux pinces robotisées dans la fabrication, à la récupération d'objets archéologiques.

L'équipe de l'Université de Californie à San Diego présente ses conclusions dans un récent numéro de la revue Bioinspiration et Biomimétique .

L'objectif global du projet était de développer une nouvelle technologie capable de fournir une prise en main délicate pour manipuler des objets fragiles. L'étude souligne l'importance du biomimétisme, qui permet aux scientifiques de disciplines allant de l'ingénierie à la biologie de travailler ensemble et de s'inspirer de la nature pour développer de nouvelles technologies.

"J'ai toujours été fasciné par la nature, et en particulier les conceptions complexes et carrément fascinantes qui ont évolué et qui peuvent faire ce que la technologie moderne ne peut pas, " a déclaré Jessica Sandoval, un doctorat étudiant à la UC San Diego Jacobs School of Engineering et auteur principal de l'étude. "C'était l'occasion idéale d'étudier le mécanisme d'adhérence de ces poissons s'accrochant et d'expliquer comment la technologie derrière l'adhérence des ventouses peut être améliorée."

Améliorer les ventouses grâce au biomimétisme

Les clingfish sont de petits poissons répandus dans les régions tropicales et tempérées. Ils sont communs dans les zones intertidales, où ils utilisent leur puissante capacité d'aspiration pour adhérer aux roches, algues, et les algues. Ils peuvent rester collés à ces surfaces même dans des courants puissants et lorsqu'ils sont battus par les vagues. Les clingfish utilisés dans cette étude étaient une espèce originaire de la côte ouest, et ont été récupérés juste au large de San Diego.

En étudiant les clingfish qu'ils ont collectés, Sandoval et ses collègues ont découvert que le secret imitant le mécanisme de fixation utilisé par l'animal consistait à incorporer une couche souple et des fentes dans les ventouses artificielles. Le disque d'aspiration du clingfish est bordé de rangées de structures hexagonales, appelées papilles, qui sont recouverts de fibres microscopiques. Les chercheurs ont imité cela à l'intérieur de leurs prototypes avec une couche souple en silicone. Cette couche a considérablement amélioré les performances adhésives sur les surfaces rugueuses. L'équipe a également intégré des fentes dans la chambre de la ventouse, qui assure une meilleure adhérence aux irréguliers, surfaces concaves.

« Quand j'ai parlé pour la première fois à mes collègues ingénieurs, J'étais sûr que l'astuce pour optimiser la ventouse viendrait de la biologie, " a déclaré le co-auteur de l'étude Dimitri Deheyn, chercheur en biologie marine et biomimétisme à la Scripps Institution of Oceanography de l'UC San Diego. "J'étais également sûr qu'une meilleure ventouse combinerait une architecture de conception unique et un 3-D, mécanisme polyvalent d'une certaine sorte."

Performances de la ventouse

Les ventouses artificielles développées par les chercheurs ont pu adhérer à des surfaces rugueuses, tels que les papiers de verre grossiers, et à des surfaces très variables, des pierres aux légumes, à la fois dans et hors de l'eau. Les chercheurs ont également montré que leurs appareils pouvaient tout ramasser, des cerises aux fraises, sans les écraser, pour élaborer des conques et des vases.

"De nombreux dispositifs adhésifs n'adhèrent bien qu'à une surface sèche ou humide et ont des difficultés avec les surfaces rugueuses, " a déclaré le co-auteur de l'étude Mike Tolley, expert en robotique et professeur à la Jacobs School of Engineering de l'UC San Diego. "Nos appareils peuvent tout faire."

Les appareils peuvent retenir un objet lourd pendant plus de six heures, qui, selon les chercheurs, pourraient être étendus à de plus longues périodes. En outre, ces ventouses inspirées des clingfish ont une adhérence impressionnante compte tenu de leur taille :une ventouse peut supporter jusqu'à 350 fois son propre poids en suspension dans les airs.

Les chercheurs ont même équipé le bras d'un véhicule télécommandé (ROV) d'un de leurs appareils et ont montré qu'il pouvait manipuler un œuf cru sans le casser.

"Cette application spécifique de ROV m'intéresse particulièrement, " dit Sandoval, qui est pilote de ROV en haute mer en plus d'être titulaire d'un doctorat. étudiant. "En pilotant des ROV, J'utilise des manipulateurs sous-marins afin de récupérer des échantillons délicats du fond marin. J'aimerais souvent avoir un outil de préhension délicate pour compléter la prise puissante des mâchoires métalliques du manipulateur. Mon travail en haute mer a été une véritable motivation pour m'inspirer de la nature pour l'adhésion."

Expériences et analyses

Les clingfish ont été collectés dans les bassins de marée juste au nord de la jetée Ellen Browning Scripps. Fait partie de la réserve marine côtière de Scripps, les scientifiques de l'UC San Diego peuvent acquérir des licences pour collecter des organismes à des fins scientifiques dans cette zone, ce qui en fait un atout unique pour l'université.

Tout en construisant des disques d'aspiration inspirés du poisson-cling, l'équipe a également expérimenté l'imitation des fibres microscopiques du clingfish en recouvrant l'empreinte du disque d'aspiration artificiel d'une couche de piliers microscopiques en silicone. De façon intéressante, ils ont constaté que les conceptions les plus simples constituées d'une seule couche épaisse de silicone fonctionnaient mieux que les conceptions avec des piliers microscopiques.

L'équipe interdisciplinaire a analysé les performances des disques d'aspiration artificiels inspirés des clingfish. Les chercheurs ont caractérisé le contact de surface de l'empreinte des disques pour voir comment ils interagissent avec une surface. Ils ont cherché à comprendre l'énergétique sous-jacente en utilisant l'analyse par éléments finis pour modéliser le processus de déformation des disques d'aspiration. Ils ont également effectué des tests de force adhésive sur différentes courbures de surface et différentes rugosités de surface, allant de l'acrylique lisse au papier de verre grossier. Ils ont testé la force nécessaire pour attacher le disque à une surface, en fonction de la rugosité de la surface. Ils ont découvert qu'il fallait très peu de force pour attacher les disques à une surface, ce qui explique la capacité des appareils à manipuler des objets délicats.