© ISTOCK
У многих ящериц, таких, как гекконы, есть замечательная способность легко карабкаться по вертикальным поверхностям. Этот процесс очаровывал учёных в течение многих лет, но в том, как это происходит, они разобрались совсем недавно.
Более чёткое понимание принципа действия подушек на лапах геккона дало специалистам надежду на то, что точная копия этих подушек сможет удержать и вес человека.
Но требовалось решить ещё одну проблему, связанную с этими «перчатками человека-геккона» - проблему равномерного распределения веса. Вес висящего человека должен распределяться так, чтобы ни в одной подушке не возникало критическое напряжение, способное вызвать цепную реакцию и разрушить всю систему. Группа исследователей во главе с инженером из Стэнфорда Этаном Хоуксом считает, что им удалось решить эту проблему. Они разработали сухое связующее вещество под названием PDMS, в котором есть нановолокна, похожие на волоски геккона. Они выравниваются, когда перчатка движется по поверхности вниз, причём сцепление с поверхностью увеличивается за счёт возникающего электромагнитного притяжения. В то же время перчатка легко «отклеивается» от поверхности при рывке, перпендикулярном её плоскости.
Робокрысы, дроны-охотники, говорящие мусорки: 10 гаджетов и изобретений, изменяющих города
25 лучших изобретений 2014-го года
Советская «Сетунь» - единственная в мире ЭВМ на основе троичного кода
Бельгийские дизайнеры придумали съедобную посуду
Таблетки с замороженными фекалиями могут вылечить кишечную инфекцию
Новая батарея заряжается до 70% за две минуты
В амстердамском аэропорту в каждом писсуаре лежит копия мухи
16-летняя школьница создала фонарик, работающий исключительно за счёт тепла тела
Наблюдая в кино и на страницах комиксов, как наши любые герои совершают супергероические дела с помощью своих суперспособностей, каждый рано или поздно задается вопросом: как бы он повел себя, получи в распоряжение сверхъестественные возможности. Чтобы вы хотели? Бегать как Флэш? Летать как Супермен? Слышать и чувствовать как Сорвиголова? Или ползать по стенкам как Человек-паук?
И тут на помощь приходит беспощадная наука. Ударом с разворота она укладывает мечтательного поклонника супергероев, чтобы подробно рассказать, как такие способности сработаются с реальной физикой. Барри Аллен убивал бы всех, кого пытался спасти. Кларк Кент поглощал бы миллионы насекомых каждый день. Мэтт Мердок может моментально оглохнуть или отравиться. А вот Питер Паркер размахивал бы огромными, размером с теннисные ракетки, кистями рук.
Согласно расчетам ученым из Кембриджского университета Человек-паук, способный прилипать к стенам, будет выглядеть довольно странно. Чтобы поддержать вес взрослого мужчины, ладони должны быть размером метр в диаметре, а ступни соотвествовать 145 европейскому размеру обуви. Остается только представить, как бы с такими конечностями смотрелся Тоби Магуайр.
«Если бы человек захотел поползать по стене как геккон, ему бы понадобились огромные прилипающие ноги. Размер обуви — 145 европейский или 114 американский », — говорит старший автор из Кембриджского отдела зоологии Уолтер Фидерле.
Автор первоначальных расчетов доктор Дэвид Лабонт замечает: «С увеличением размера животного, площадь поверхности тела в объеме уменьшается. У муравья очень большая площадь поверхности, но очень мало объема, тогда как у слона один объем и малая площадь поверхности ».
«Из-за этого у крупных существ, пытающихся лазать по вертикальным поверхностям, начинаются проблемы. Чем животные больше и тяжелее, тем сильнее они должны прилипать, но у них меньше поверхности тела для присосок. Таким образом, можно вычислить максимальный размер животного, способного прилипать. И мы получим геккона».
Но есть и другое решение проблемы: увеличить прилипаемость. Такой альтернативы придерживаются животные, чей размер и вес идет впереди размера прилипающих лап. Так что возможно Человеку-пауку все-таки не придётся сражаться с преступниками посредством гигантских мешков с картошкой вместо кулаков и лыж вместо ступней.
Во время длинного и вымученного эпизода из жизни Питера Паркера Clone Saga герою пришлось столкнуться с последствиями повышенной прилипаемости. Каин, один из клонов Человека-паука, созданный безумным генетиком Шакалом, получил способность «прижигать» человеческую плоть, как раз из-за того, что его руки прилипали слишком сильно.
Так что если вы хотите стать Человеком-пауком в реальной жизни, не удивляйтесь, если на вас будут смотреть как на фрика, даже без маски. Если эволюция выберет первый вариант, то вместо рук и ног вы получите ласты. Если второй, то при первой же попытке спасти человека, велика вероятность, что вы сдерете с него кожу.
Ученые пока не торопятся выяснять, как человек вырабатывал бы паутину в реальной жизни.
Первоисточник: лапка геккона и микрофотография щетинки с многочисленными «лопатками»
Цель: «костюм человека-паука», позволяющий свободно чувствовать себя на любых поверхностях
Ящерки-гекконы могут ползать по вертикальным стенам и даже потолкам благодаря миллионам крошечных волосков, расположенных на подошвах лапок. На конце каждого волоска имеется тысячи миниатюрных подушечек. Эти подушечки прочно прилипают к любой поверхности, вступая с ней во взаимодействие на уровне молекул и атомов, за счет имеющих электромагнитную природу сил Ван-дер-Ваальса . Подобный механизм позволяет гекконам удерживать на себе вес, в несколько сот раз превосходящий собственную массу, прилипнув лапами к потолку или стене.
Этот же принцип может быть с успехом использован и для создания специально костюма, с помощью которого человек сможет карабкаться по отвесным стенам. С соответствующим заявлением выступила группа итальянских специалистов под руководством Никола Пуно (Nicola Pugno). Идея заключается в том, чтобы покрыть перчатки и ботинки крошеными синтетическими щетинками, обеспечивающими достаточную степень прилипания к поверхности. Подобные материалы уже существуют — напомним, что ранее была продемонстрирована способность робота Stickybot передвигаться по вертикальным поверхностям за счет множества волосков из эластомера, покрывающих его щупальца (мы писали о нем в заметке «Технологии года »). Однако не все так просто, как может показаться на первый взгляд.
Сила, с которой «липучка» держится за стену, находится в прямой зависимости от площади. При увеличении размеров тела геккона площадь поверхности подошв будет расти пропорционально квадрату его длины, а вес — пропорционально кубу. Выходит, если геккона увеличить до размеров человека, ни по каким вертикальным стенам он лазать не сможет. Следовательно, перчатки человека-паука должны обладать гораздо большей адгезией, чем лапки геккона.
К счастью, знаменитые рептилии гекконы используют возможности сил Ван-дер-Ваалься отнюдь не на все сто процентов. «Согласно некоторым расчетам, силу прилипания можно увеличить аж в 200 раз относительно того уровня, который демонстрируют ящерицы. Правда, пока это только теория», — поясняет итальянский ученый. Он рассчитывает достичь приемлемых показателей за счет использования углеродных нанотрубок.
Однако обеспечить должную адгезию — лишь полдела. Необходимо также продумать механизм, который позволил бы носителю костюма отрывать липучки от стены (нужно же как-то переставлять руки и ноги!). И наконец, липучки должны обладать способностью к самоочищению, иначе частички грязи очень скоро выведут их из строя. Этого можно достичь за счет придания прилипающей поверхности очень сильных водоотталкивающих свойств: миниатюрные капельки воды, стекающие с нанотрубок, будут смывать с них инородные вкрапления. Для этого достаточно слегка изменить топологию рабочей поверхности, хотя при ухудшатся ее «прилипчивость». «Заставить все эти элементы работать одновременно очень непросто, поскольку они находятся в известном противоречии. Однако гекконы являются живым доказательством того, что в принципе это вполне достижимо», — подытоживает Никола Пуно.
Учёным удалось создать устройство, позволяющее человеку взбираться по отвесным стеклянным стенам. Образцом для подражания стала ящерица-геккон легко передвигающаяся по вертикальным поверхностям.
Исследователи установили, что удивительные способности геккона удерживаться на отвесных скользких поверхностях объясняются эффектом Ван-дер-Ваальса – возникающими силами межмолекулярного взаимодействия, которых вполне достаточно, чтобы удерживать вес животного даже в том случае, если оно бегает по потоку головой вниз. Эта особенность забавной ящерицы и была положена в основу нового изобретения.
Специалисты из Стэндфордского университета при содействии Министерства обороны США создали рабочую версию устройства, при помощи которого человек может карабкаться по отвесным поверхностям подобно геккону, правда очень, медленно.
По сути, новая разработка – это пластины, которые пристёгиваются на руки при помощи специальных ремешков. Каждая их надеваемых на руку пластин соединена тросами со специальной опорой, которая предназначена для ступни. На каждой из них – по 24 пластины размером с почтовую марку, покрытых волосками их специального кремниевого полимера полидиметилсилоксана. Этот материал – полный аналог волосков на лапах геккона. При сильном нажатии на поверхность пластины надёжно прилипают к ней, и человек не соскальзывает, даже если удерживается на одной руке.
Испытывали устройство на одном из аспирантов. Юноша весом в 70 кг безо всякого труда взобрался по стеклянной стене на высоту 3,5 метра. Всё, что ему было необходимо делать – по очереди «отклеивать» руки с закреплёнными на них пластинами и переставлять их всё выше и выше. Ноги поднимались тросами одновременно с руками. Чтобы перенести пластину, аспиранту было достаточно несколько ослабить на неё давление.
Уже в ближайшем будущем учёные собираются доработать систему, что позволит сделать процесс лазания более плавным. Пока с помощью пластин можно взбираться только по сухим и гладким стенам. Но уже в ближайшем будущем, экипировавшись такими пластинами, можно будет преодолевать и шероховатые стены.
Инновационные пластины-перчатки, которые могут превратить любого желающего в настоящего человека-паука, не единственные в своём роде. Ранее мы рассказывали о перчатках для экспрессивного общения в темноте.
Некоторые пауки обладают довольно массивным телом, однако, вопреки гравитации, они спокойно могут взбираться по абсолютно гладким вертикальным поверхностям. Зоологи много лет ломали голову над этим секретом, и теперь обнаружили интересную анатомическую особенность и поведенческую хитрость членистоногих, которые позволяют им ползать по любым поверхностям.
На кончиках лап у пауков имеются тысячи крошечных волосков, которые создают точки соприкосновения. Эти волоски очень маленькие и гибкие, а потому могут зацепиться за любую минимальную неровность. На молекулярном уровне у каждой, даже самой с виду гладкой поверхности, имеются шершавости и выпуклости, за которые можно ухватиться лишь очень тонкими волосками.
"Поскольку волоски на лапах пауков ещё и очень гибкие, они могут зацепиться сразу за несколько частей поверхности. За счёт этого обеспечивается дополнительная липкость", — поясняет ведущий автор исследования Йонас Вольфф (Jonas Wolff), биолог из Университета Киля в Германии.
В отличие от морских животных усоногих , которые прикрепляются к камням или корпусам судов , пауки лишь временно прилепляют свои лапки к поверхности, по которой они взбираются. Биологи называют эту способность динамическим прикреплением ("dynamic attachment"). Авторы нового исследования сравнивают процесс с лепкой стикеров на холодильник.
"В отличие от клея, который крепит одну поверхность к другой на длительный срок, паучьи волоски присасываются к неровностям всего на секунду, после чего контакт можно разорвать без особого труда", — рассказывает Вольфф, который много лет занимается этим вопросом.
В рамках своего эксперимента учёные исследовали способности пауков вида Cupiennius salei . Эти членистоногие генерируют достаточную силу липучести, чтобы не упасть, но при этом способны быстро оторвать лапки для мгновенного захвата и поглощения добычи.
Как правило, атака на жертву длится всего четверть секунды, после чего паук убегает со скоростью полметра в секунду. Для таких манипуляций отрывать волоски нужно крайне стремительно, утверждает Вольфф.
Изначально учёные предположили, что секрет кроется только в волосках на лапках, но Вольфф заподозрил, что это не единственная особенность пауков. Он измерил силу, которую тело паука сообщает стеклу, и она равнялась 97 милли-Ньютонам или 10 граммам.
"Звучит не очень впечатляюще, но это три-четыре веса паучьего тела. Таким образом, можно подвесить груз к телу паука, равный ему по массе, и животное не упадёт с гладкой вертикальной стеклянной поверхности. У небольших особей это соотношение ещё выше, поскольку кончики их лап ещё меньше относительно объёма тела", — сообщает биолог.
Чтобы определить, как каждая отдельная лапа генерирует ключевую силу, исследователи наносили тёплый пчелиный воск на лапки пауков, лишая их способности цепляться волосками. Лапы "отключали" сначала по одной, затем попарно, а потом сразу все. Учёные обнаружили, что сила, генерируемая противоположными лапами (например, передняя левая и задняя правая), раскрывала способность членистоногого крепиться к гладкому стеклу.
Когда противоположные лапы разъезжаются, генерируется больше трения между волосками и поверхностью, и за счёт этого паук прикрепляет своё тело более надёжно. Но в тот момент, когда необходимо лапы оторвать и захватить добычу, членистоногие сокращают расстояние между конечностями, и липкость снижается.
В своей статье , опубликованной в издании Journal of Experimental Biology, Вольфф и его коллеги рассказывают о своих наблюдениях и расчётах. Также учёные упомянули, что у людей не получилось бы прибегнуть к такой же хитрости, будь у них даже : человек слишком тяжёлый для таких способностей.
Солянка: особенности национальной кухни
Церковь трех святителей на кулишках Экскурсия храм трех святителей на кулишках
Таблетки для похудения турбослим
Сын Дмитрия Марьянова: Даниил Аносов
Заправки для овощных салатов без майонеза