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Physique dans le monde animal: patte de gecko


Photo: Wikimedia

Les geckos sont des habitants des régions tropicales et subtropicales de l'Ancien et du Nouveau Monde. Ces lézards vivent à la fois sur les continents et sur les îles, l'aire de répartition est vaste. Les geckos ont une caractéristique: ils peuvent rester sur presque toutes les surfaces. Une seule patte détient le poids corporel de l'animal. La surface peut être n'importe quoi - bois, roche, même verre poli.

La capacité du gecko à s'accrocher à tout a été portée à l'attention des anciens Grecs. Aristote a essayé de comprendre le principe de la sécurisation des pattes d'un lézard; les scientifiques médiévaux étaient également intéressés par les geckos. Ils sont étudiés à notre époque. Il existe plusieurs théories qui expliquent les capacités exceptionnelles de ces lézards en «alpinisme».

Suckers sur les doigts. L'une des premières explications qui semblait assez logique. Certes, après avoir étudié les pattes du gecko au microscope, il s'est avéré qu'il n'y avait pas de ventouses sur les doigts. Malheureusement, le mythe du meunier est toujours vivant aujourd'hui.

Electrostatique . Une autre explication plausible, qui a pu réfuter (bien qu'il y ait quelques confirmations de cette théorie, nous en parlerons ci-dessous), créant des conditions dans lesquelles il ne pourrait tout simplement pas y avoir de charge sur les pattes du gecko. L'animal était toujours fermement maintenu sur une surface lisse.

Une réfutation a été reçue dans les années 30 du siècle dernier. Le scientifique allemand Wolf-Dietrich Dellit (Wolf-Dietrich Dellit) a dirigé le flux d'air ionisé vers les pattes du gecko, qui était maintenu sur une surface métallique. L'ionisation, selon Dellit, était censée neutraliser ou réduire considérablement la force d'adhésion des pattes à la surface, si le mécanisme de couplage avait une nature électrique. Cela ne s'est pas produit, il a donc été conclu que les geckos utilisent autre chose.

Le scientifique canadien Alexander Penlidis croit que cette expérience était incorrecte. Le fait est que le contact entre les jambes du gecko et la surface est extrêmement serré, ce qui fait que les molécules ionisées ne peuvent tout simplement pas pénétrer entre les structures ultra-petites des jambes et la surface et neutraliser l'interaction.

Prise des pattes de gecko avec des irrégularités de surface . Cette explication ne convient pas non plus, car les geckos peuvent se déplacer sur une surface verticale de verre poli. De plus, ils peuvent se déplacer le long du plafond du même matériau.


Photo: wikipedia

Avec l'avènement du microscope électronique, la patte du gecko a été étudiée en détail. En fin de compte, il est recouvert de poils extrêmement minces, dont la longueur peut atteindre des centaines de micromètres. La concentration de poils par unité de surface de la patte est très élevée: plus de 14 000 cheveux par 1 mm 2 . Chaque poil, à son tour, n'est pas une formation monolithique, mais est divisé à la fin en 400-1000 fibres encore plus petites. L'épaisseur de ces fibres est de 0,2 µm. Sur 1 cm 2Le contact avec la surface représente environ 2 milliards de fibres, dont chacune se dilate vers la fin.


a. Pied gecko b. L '«oreiller» d'un doigt de gecko au microscope c. Un des poils de la patte du gecko. Il subit une forte augmentation. Augmentation maximale des poils (photo: somuchnews ).

Des scientifiques américains ont découvert que la patte du gecko a un courant de 10 Newton par 1 cm 2.. Une telle adhérence n'est possible que pour les surfaces lisses, où presque toutes les fibres des pattes de l'animal sont impliquées. Si nous parlons de surfaces qui se trouvent souvent dans les habitats des geckos - roches, arbres, seule une partie des fibres sur les pattes est impliquée ici (en raison du grand nombre d'irrégularités sur ces surfaces), mais cela suffit pour maintenir l'animal en place.

Il s'est avéré que les poils microscopiques sur les pattes du gecko adhèrent à la surface de support au moyen des forces de van der Waals. Forces de Van der Vaals—Les forces d'interaction intermoléculaire (et interatomique) avec une énergie de 10–20 kJ / mol. La base des forces de van der Waals est les forces d'interaction de Coulomb entre les électrons et les noyaux d'une molécule et les noyaux et les électrons d'une autre. À une certaine distance entre les molécules, les forces d'attraction et de répulsion s'équilibrent et un système stable se forme. C'est précisément un tel système que la patte du gecko rattrape la surface avec laquelle il est en contact.

La structure complexe de la patte fournit une autre propriété: l'hydrophobie. La patte repousse l'eau et la saleté, de sorte que le gecko peut bien se déplacer sur les surfaces humides.

Le gecko détache facilement la patte de la surface sur laquelle il est fixé. Un mécanisme spécial est utilisé pour cela. Le fait est qu'un poil attaché à n'importe quel matériau peut facilement se détacher si l'angle entre la fibre et la surface est supérieur à 30 °. Lors du déplacement, en changeant l'angle de contact des pattes et de la surface, le gecko fixe et détache facilement les pattes. Les coûts énergétiques de ce processus sont minimes.

Vand der Waals forces ou autre chose?


Il y a deux ans, le scientifique canadien Alexander Penlidis a décidé d'étudier de façon indépendante le mécanisme d'adhésion des pattes du gecko aux surfaces. Il s'est avéré que lorsque les pattes et la surface se touchent, un échange de charges électriques se produit. En conséquence, une charge électrostatique positive se forme au niveau de la patte et une charge négative à la surface.

Penlidis a expérimenté deux types de surfaces polymères: le téflon AF et le polydiméthylsiloxane. Selon les conclusions faites par le scientifique selon les résultats de l'étude, la force d'adhésion était corrélée à l'ampleur de la charge électrostatique de la patte et de la surface. Et il en résulte que c'est la charge électrique qui joue le rôle principal dans l'adhésion de la patte aux surfaces.



L'étude est intéressante, mais elle ne répond pas à la question importante - comment le gecko est maintenu sur des surfaces très inégales, où il est beaucoup plus difficile d'assurer l'adhérence à l'aide d'une charge électrique que sur une surface plane. Peut-être que les jambes du gecko ont un mécanisme de couplage double - à la fois les forces de van der Waals et la charge électrique.

Effet de l'eau


Dans la grande majorité des cas, les scientifiques ont mené des expériences avec des geckos dans un environnement sec. Des scientifiques de l'Université d'Akron ont décidé de vérifier dans quelle mesure le lézard peut se déplacer sur des surfaces humides. Il s'est avéré que si vous pulvérisez de l' eau sur une plaque de verre, l'animal tient sur une telle surface bien pire que sur la même plaque sans gouttes d'eau.



Néanmoins, le gecko parvient à rester sur la surface mouillée. Mais si la plaque est immergée à faible profondeur dans l'eau et que le gecko est à nouveau placé sur la plaque, le lézard ne peut pas rester à la surface dans de telles conditions. Si vous plongez les pattes du gecko dans l'eau pendant une heure et demie, puis le posez sur le verre, il glisse, incapable de prendre pied.

Selon Alyssa Stark de l'Université d'Akron, cela est dû au fait que l'eau interfère avec les forces de l'interaction de van der Waals et que les pattes du gecko ne peuvent pas être fixées à la surface.

Pas seulement des pattes


Le corps entier du gecko est impliqué dans le mécanisme de fixation des pattes à la surface, disent les scientifiques de l'Université du Massachusetts à Amherst. Le corps du reptile, selon Alfred Crosby (Alfred Crosby), joue le rôle d'un ressort, qui presse les pattes à la surface. Et plus le poids corporel du gecko est élevé, plus ce printemps est fort . Grâce à ce mécanisme, les grands geckos, et pas seulement leurs petits parents, sont parfaitement maintenus dans n'importe quelle surface.

Malgré le fait qu'Alexander Penlidis ait pu prouver l'influence de la charge électrique sur la capacité adhésive des pattes de gecko, la plupart des experts soutiennent toujours le point de vue sur le mécanisme d'adhésion basé sur les forces de van der Waals. Maintenant, les scientifiques tentent d'expliquer un autre problème intéressant - l'origine de ce mécanisme dans le processus d'évolution.

Gecko Scotch


Depuis que le mécanisme des jambes du gecko est devenu généralement compris, les gens ont essayé de le reproduire artificiellement. En particulier, l' agence DARPA a créé un équipement d'escalade qui permet à une personne pesant 122 kg (poids corporel + charge utile) de grimper sur un mur de verre à une hauteur de 7,6 m. Un ingénieur de Stanford a créé un robot capable de grimper sur des surfaces lisses presque transparentes. Les robots manipulateurs sont également modelés sur les pattes d'un gecko. Et des experts de l'Université de Pennsylvanie ont développéUn nouveau type de préhenseur de haute précision qui peut être utilisé en production pour travailler avec de petites pièces. Le développement du ruban super-adhésif, qui peut résister à de nombreux cycles d'utilisation et dont la surface n'est pas contaminée par une utilisation prolongée, est également en cours. La NASA a développé une monture spéciale qui peut être utilisée à la fois sur Terre et en apesanteur dans l'espace. Il vous permet de fixer des marchandises sur des surfaces à l'aide d'un "Velcro" spécial créé à l'image et à la ressemblance de la surface du pied du gecko.

Source: https://habr.com/ru/post/fr396299/

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