กาวมหัศจรรย์พลังตีนตุ๊กแก - รับน้ำหนักได้ถึง 700 ปอนด์
บทความนี้อยู่ในหมวด “วัสดุล้ำยุค” โดย Material ConneXion® Bangkok
เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่นักชีววิทยาให้ความสนใจกับพลังที่น่าทึ่งของตีนตุ๊กแกที่ทำให้ตุ๊กแกซึ่งหนัก 5 ออนซ์ (140 กรัม) สร้างแรงยึดเกาะเทียบเท่ากับการแบกน้ำหนักประมาณ 9 ปอนด์ขึ้นไปบนผนังโดยไม่ลื่นหล่นลงมา ปัจจุบันทีมนักวิทยาศาสตร์โพลีเมอร์และนักชีววิทยาแห่งมหาวิทยาลัย Massachusetts Amherst ได้ค้นพบอย่างแน่ชัดแล้วว่าตุ๊กแกติดอยู่กับผนังได้อย่างไร ซึ่งนำไปสู่การประดิษฐ์ “Geckskin” อุปกรณ์ที่สามารถรับน้ำหนัก 700 ปอนด์ที่ติดบนผนังเรียบได้
Michael Bartlett นักศึกษาปริญญาเอกจากห้องปฏิบัติการวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์โพลีเมอร์ของ Alfred Crosby แห่งมหาวิทยาลัย MassachusettsAmherst เป็นผู้เขียนนำของบทความที่อธิบายการค้นพบลงในวารสาร Advanced Materials ออนไลน์ฉบับล่าสุด โดยในทีมมีนักชีววิทยา Duncan Irschickซึ่งเป็นนักสัณฐานวิทยาที่ศึกษาความสามารถในการปีนและการยึดเกาะของตุ๊กแกมากว่า 20 ปี เพราะไม่ว่าตุ๊กแกจะเกาะอยู่บนพื้นผิวแนวตั้ง แนวเฉียง หรือแม้แต่เอียงไปด้านหลังก็ทำได้อย่างสบายไม่ต่างกัน
“น่าประหลาดใจที่ตีนตุ๊กแกสามารถเกาะและปล่อยได้ง่าย โดยไม่ทิ้งคราบเหนียวไว้บนพื้นผิว” Irschick กล่าว ด้วยคุณสมบัติรองรับน้ำหนักได้สูง นำกลับมาใช้ใหม่ได้ และยึดเกาะได้โดยไม่ทิ้งคราบใดๆ เหล่านี้ ยั่วยุให้มองหาความเป็นไปได้ในวัสดุสังเคราะห์ที่สามารถติดหรือปลดเครื่องใช้ในชีวิตประจำวันที่มีน้ำหนักมากเช่น ทีวีหรือคอมพิวเตอร์กับผนังรวมไปถึงการประยุกต์ใช้ด้านการแพทย์และอุตสาหกรรม และอื่นๆ อีกมาก Irschick และ Crosbyกล่าวเพิ่มเติม
ผู้เขียนบทความชี้ให้เห็นว่าการผสานคุณสมบัติในระดับนี้ยังไม่เคยมีมาก่อน Crosby กล่าวว่า “สิ่งประดิษฐ์Geckskinของเรามีขนาดประมาณ 16 ตารางนิ้ว หรือขนาดใกล้เคียงกับบัตรดรรชนีวารสาร โดยสามารถรับน้ำหนักได้สูงสุดถึง 700 ปอนด์ ในการติดบนพื้นผิวเรียบเช่นกระจก”
ที่เหนือกว่าความสามารถในการยึดติดอันน่าประทับใจแล้ว สิ่งประดิษฐ์นี้ยังปลดออกได้อย่างง่ายดาย และนำกลับมาใช้ใหม่ได้หลายครั้งโดยไม่เสียประสิทธิภาพในการยึดเกาะ ตัวอย่างเช่น การใช้ติดทีวีขนาด 42 นิ้วกับผนัง ก็สามารถปลดออกด้วยการดึงเบาๆ แล้วนำไปติดบนพื้นผิวอื่นกี่ครั้งก็ได้ตามต้องการโดยไม่ทิ้งรอย
ก่อนหน้านี้ความพยายามในการสร้างแรงยึดเกาะอันมหาศาลแบบตีนตุ๊กแก ใช้คุณสมบัติของขนขนาดเล็กมากบนนิ้วเท้าของตุ๊กแกที่เรียกว่า ซีเต้ (Setae) เป็นหลัก แต่เมื่อพยายามนำไปใช้ในระดับที่ใหญ่ขึ้นกลับไม่สำเร็จ ส่วนหนึ่งเพราะไม่ได้คำนึงถึงความสลับซับซ้อนของตีนตุ๊กแกในภาพรวม จากคำอธิบายของ Irschick ตีนตุ๊กแกมีหลายส่วนที่ทำงานประสานกัน ประกอบด้วยเส้นเอ็น กระดูก และผิวหนัง ซึ่งร่วมกันทำงานเพื่อสร้างแรงยึดเกาะที่สามารถติดและปลดออกไปมาได้อย่างง่ายดาย
แต่ตอนนี้ Bartlett,Crosby และทีมงานของ UMass Amherst ได้ไขความลับอันเรียบง่ายแต่แฝงไว้ด้วยความงดงามในการทำงานของตีนตุ๊กแก โดยสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่สามารถรองรับน้ำหนักมหาศาลได้ หลักการทำงานของ Geckskinแสดงให้เห็นว่า ซีเต้ ไม่ใช่สิ่งจำเป็นในการสร้างสมรรถนะแบบตุ๊กแก Crosby ชี้ให้เห็นว่า “แนวคิดนี้ยังไม่มีการนำไปใช้ในแนวทางการออกแบบอื่นๆ และสิ่งนี้อาจเปิดเส้นทางใหม่ของการวิจัยเกี่ยวกับการยึดเกาะแบบตุ๊กแกในอนาคต”
นวัตกรรมสำคัญที่สร้างสรรค์โดย Bartlett และคณะคือ การรวมแรงยึดเหนี่ยวโดยการทอแผ่นที่อ่อนนุ่มลงในผ้าเนื้อแข็ง ซึ่งทำให้แผ่นอ่อนนุ่ม “คลุม” อยู่เหนือพื้นผิวเพื่อให้เกิดผิวสัมผัสได้มากที่สุด นอกจากนั้น แผ่นผิวจะถูกทอลงใน “เส้นเอ็น” สังเคราะห์ เช่นเดียวกับตีนตุ๊กแกในธรรมชาติ การออกแบบนี้เป็นส่วนสำคัญที่ส่งผลให้สามารถรักษารูปร่างที่แข็งทื่อและเคลื่อนที่แบบหมุนได้อย่างอิสระ นักวิจัยอธิบาย
สิ่งสำคัญคือ แผ่นยึดเกาะ Geckskinใช้วัสดุที่พบได้ง่ายในชีวิตประจำวัน เช่น Polydimethylsiloxane (PDMS) ซึ่งจะนำไปสู่การพัฒนาตัวยึดแบบแห้งที่มีความแข็งแรง ทนทาน และราคาไม่แพง
นักวิจัยแห่ง UMass Amherst กำลังพัฒนาการออกแบบ Geckskinโดยใช้วิวัฒนาการของตีนตุ๊กแกเป็นต้นแบบ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของร่างกายอันน่าทึ่ง“การออกแบบ Geckskin ของเราแสดงให้เห็นพลังที่แท้จริงของวิวัฒนาการที่จุดประกายในการออกแบบสิ่งประดิษฐ์ซึ่งท้ายสุดแล้วจะช่วยมนุษย์ได้ในหลากหลายด้าน” Irschick กล่าว
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก U.S. DefenceAdvanced Research Projects Agency (DARPA) ผ่านสัญญารับช่วงจาก Draper Laboratories และเงินสนับสนุนการวิจัยจาก UMass Amherst
คำอธิบายรูป
แผ่น Geckskinขนาดเท่าบัตรสามารถติดวัตถุที่หนักมากๆ เช่น ทีวี 42 นิ้วที่มีน้ำหนัก 40 ปอนด์ (18 กิโลกรัม) กับพื้นผิวเรียบในแนวตั้งได้อย่างเหนียวแน่น นวัตกรรมสำคัญที่สร้างสรรค์โดยBartlett และคณะคือการสร้างแผ่นที่อ่อนนุ่มสานลงในองค์ประกอบผ้าแข็งที่ประกอบด้วยเส้นเอ็นสังเคราะห์ เมื่อรวมกันแล้วทำให้ได้แผ่นที่มีความแข็งแต่ยืดหยุ่นและสามารถ “คลุม” เหนือพื้นผิวเพื่อให้เกิดผิวสัมผัสได้มากที่สุด (เครดิต: เอื้อเฟื้อภาพโดยUMass Amherst)
แปลจากบทความ Gecko Feet Inspire Amazing Glue That Can Hold 700 Pounds On Smooth Wall จากเว็บไซต์ http://www.sciencedaily.com/releases/2012/02/120216165500.htm
