De la naturaleza a la industria

Ilustración: Gecko (Salamanquesa)

 

Sornosa, Josep

Timor, Pascual

 

El poder adhesivo del gecko

 

La visión microscópica de la pata del gecko revela un sistema de adherencia jerárquico que le permite caminar por paredes y techos gracias, principalmente, a fuerzas de van der Waals entre sus estructuras microscópicas y la superficie de contacto.

 

Partes principales de la estructura

 

Están ordenadas desde lo macroscópico hasta la nanoescala:

 

Lamelas (lamellae)

 

• Son estructuras con forma de escamas o láminas visibles en la parte inferior de los dedos.

• Constituyen la primera capa de organización de la pata y aumentan el área de contacto del dedo con el sustrato.

• Contribuyen a distribuir el peso del animal a lo largo de la extremidad y a orientar las zonas adhesivas.

 

Setas (setae)

 

• Son estructuras microscópicas similares a pelos que recubren densamente cada lamela.

• Su longitud típica está entre unas decenas y algo más de 100 micrómetros, en el rango de 30–130 μm.

• Están formadas por un material córneo compuesto principalmente por proteínas tipo β-queratina (keratin-associated beta-proteins) y α-queratinas, lo que les aporta resistencia y flexibilidad.

• Se concentran en densidades muy elevadas: se han descrito del orden de cientos de miles de setas por centímetro cuadrado, lo que implica miles por milímetro cuadrado de superficie de pata.

 

Espátulas (spatulae)

 

• Son las ramificaciones terminales, de tamaño nanométrico, que se sitúan en el extremo de cada seta.

• Tienen terminaciones aplanadas y ensanchadas, con anchuras de unos pocos cientos de nanómetros, del orden de 200 nm.

• Establecen el contacto directo con las irregularidades de la superficie a escala atómica, permitiendo una adaptación muy íntima al sustrato.

• Al maximizar el área de contacto efectivo, permiten que las fuerzas atractivas intermoleculares (principalmente van der Waals, y en algunos casos también fuerzas capilares) generen una adhesión significativa.

 

La nanotecnología y la robótica inspiradas en el gecko se centran en reproducir estas arquitecturas jerárquicas (setas y espátulas sintéticas) para aprovechar las fuerzas de van der Waals sin necesidad de pegamentos químicos ni sistemas de succión.

 

El principal reto tecnológico consiste en fabricar materiales poliméricos que repliquen la geometría, la densidad y el comportamiento mecánico de estas microestructuras y nanoestructuras de forma fiable y duradera.

 

 

Estructura de las partes de la pata del gecko

 

 

Adhesivos secos y nanotecnología

 

La nanotecnología actual permite desarrollar materiales sintéticos que imitan, en parte, la capacidad de sujeción del gecko. Entre las aproximaciones más destacadas se encuentran:

 

Materiales de microcuñas de silicona

 

En laboratorios como los de la Universidad de Stanford se han desarrollado láminas poliméricas con filas de microcuñas o microestructuras inclinadas. El material no resulta pegajoso al tacto, pero cuando se aplica una fuerza tangencial, las microcuñas se flexionan, aumenta el área de contacto real y se activan fuerzas adhesivas basadas en interacciones de superficie similares a las de los geckos.

 

Adhesivos Setex y Geckskin

 

Algunas empresas y grupos de investigación han presentado productos comerciales o prototipos como Setex, que utiliza microcolumnas poliméricas, y Geckskin, que combina un elastómero blando con un soporte textil rígido para repartir las cargas. Estos materiales pueden soportar cargas elevadas en superficies lisas (por ejemplo, paneles de vidrio) y se pueden despegar sin dejar residuos químicos visibles, manteniendo su capacidad adhesiva tras numerosos ciclos de uso cuando se emplean dentro de las condiciones para las que fueron diseñados.

 

El desarrollo de estos adhesivos secos abre la puerta a aplicaciones como robots escaladores, sistemas de sujeción reutilizables, herramientas de manipulación delicada y dispositivos industriales donde se requiera una adhesión fuerte, reversible y limpia.

 

Referencias

 

• Autumn, K. et al. "Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae." PNAS 99(19), 2002. https://doi.org/10.1073/pnas.192252799

• Arzt, E. et al. "Mechanics of hierarchical adhesion structures of geckos." Mechanics of Materials 37(3–4), 2005. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2004.03.008

• Huber, G. et al. "Resolving the nanoscale adhesion of individual gecko spatulae." Biophysical Journal 88(6), 2005. https://doi.org/10.1529/biophysj.104.056747

• Huber, G. et al. "Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements." PNAS 102(45), 2005. https://doi.org/10.1073/pnas.0507438102

• Alibardi, L. "Cell biology of adhesive setae in gecko lizards." Zoology 112, 2009. https://doi.org/10.1016/j.zool.2008.06.003

• Alibardi, L. "Ultrastructure and composition of the β-layer of the setal apparatus in gecko setae." Acta Zoologica 94(4), 2013. https://doi.org/10.1111/j.1463-6395.2012.00573.x

• Autumn, K. et al. "Adhesive force of a single gecko foot-hair." Nature 405, 2000. https://doi.org/10.1038/35015073

• Dastjerdi, A.K., Barthelat, F. "Gecko-inspired dry adhesives: mechanics and fabrication." Acta Biomaterialia 9(1), 2013. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.07.007