شعيرات اصطناعية

تستطيع القدمان الأماميتان لسحلية توكاي تحمل قوة مقدارها 20.1 نيوتن موازية للسطح، بمساحة وسادة تبلغ 227 مم²، ^[  4 ^{] وهي قوة} تعادل 40 ضعف وزن السحلية. وقد ظل العلماء يبحثون في سر هذا الالتصاق الاستثنائي منذ القرن التاسع عشر، ونوقشت سبع آليات محتملة على الأقل لالتصاق السحالي على مدى 175 عامًا الماضية. وشملت هذه الآليات فرضيات حول الغراء، والاحتكاك، والشفط، والكهرباء الساكنة ، والتشابك الدقيق، والقوى بين الجزيئية . وقد استُبعدت فرضية الإفرازات اللزجة في بداية دراسة التصاق السحالي، نظرًا لافتقارها إلى الأنسجة الغدية في أصابعها. كما رُفضت فرضية الاحتكاك سريعًا، لأن قوة الاحتكاك تعمل فقط في اتجاه القص، وهو ما لا يُفسر قدرة السحالي على الالتصاق بالأسطح المقلوبة. تم دحض فرضية أن وسادات أصابع الوزغة تعمل كأكواب شفط في عام 1934 من خلال تجارب أُجريت في فراغ، حيث ظلت أصابع الوزغة عالقة. وبالمثل، دُحضت فرضية الشحنات الكهروستاتيكية بتجربة أظهرت أن الوزغات لا تزال قادرة على الالتصاق حتى عندما يكون تراكم الشحنات الكهروستاتيكية مستحيلاً (كما هو الحال على سطح معدني في هواء متأين بواسطة تيار من الأشعة السينية). كما تم التشكيك في آلية التشابك الدقيق، التي أشارت إلى أن الأطراف المنحنية للشعيرات يمكن أن تعمل كخطافات مجهرية، من خلال حقيقة أن الوزغات تولد قوى التصاق كبيرة حتى على الأسطح الملساء جزيئيًا.

انحصرت الاحتمالات في النهاية في القوى بين الجزيئية، وقدّم تطوير المجهر الإلكتروني في خمسينيات القرن الماضي، والذي كشف عن البنية المجهرية للشعيرات على قدم الوزغة، دليلاً إضافياً يدعم هذه الفرضية. وتم حل المشكلة نهائياً عام 2000 على يد فريق بحثي بقيادة عالمي الأحياء كيلار أوتوم من كلية لويس وكلارك في بورتلاند، أوريغون، وروبرت فول من جامعة كاليفورنيا في بيركلي. ^{[ 6 ]} أظهروا أن الجانب السفلي من إصبع الوزغة يحمل عادةً سلسلة من النتوءات المغطاة بصفوف منتظمة من الشعيرات، وتتفرع كل شعيرة إلى مئات الأطراف المتشعبة والمسطحة التي تُسمى " الملعقات" (انظر الشكل على اليمين). يبلغ طول الشعيرة الواحدة لوزغة توكاي حوالي 110 ميكرومترات وعرضها 4.2 ميكرومترات. وينتهي كل فرع من فروع الشعيرة بملعقة رقيقة مثلثة الشكل متصلة عند قمتها. يبلغ طول الطرف حوالي 0.2 ميكرومتر وعرضه 0.2 ميكرومتر. ^{[ 5 ]} ينتج الالتصاق بين قدم الوزغة والأسطح تحديدًا عن قوة فان دير فالس بين كل شعيرة وجزيئات السطح. يمكن لشعيرة واحدة أن تولد  قوة تصل إلى 200 ميكرونيوتن. ^{[ 7 ]} يوجد حوالي 14400 شعيرة لكل مليمتر مربع على قدم وزغة توكاي، مما يؤدي إلى عدد إجمالي يبلغ حوالي 3268800 شعيرة على قدميها الأماميتين. من معادلة الجهد بين الجزيئات:

${\displaystyle \Phi (R,D)=-{\frac {\rho _{1}\rho _{2}\pi ^{2}\alpha R}{6D}}}$

أين${\displaystyle \rho _{1}}$و${\displaystyle \rho _{2}}$تمثل هذه القيم عدد نقاط التلامس بين السطحين، و R هو نصف قطر كل نقطة تلامس، و D هي المسافة بين السطحين.

وجدنا أن قوة التجاذب بين الجزيئات، أو قوة فان دير فالس في هذه الحالة بين سطحين، تتأثر بشكل كبير بعدد نقاط التلامس. وهذا هو السبب تحديدًا الذي يجعل أقدام الوزغة قادرة على توليد قوة التصاق هائلة بأنواع مختلفة من الأسطح. فالتأثير المُجتمع لملايين النتوءات يُوفر قوة التصاق أكبر بكثير مما تحتاجه الوزغة للتعلق بسقف بواسطة قدم واحدة.

أثارت القوى الكبيرة بشكلٍ مُثير للدهشة التي تُولدها أصابع الوزغة ^{[ 8 ]} تساؤلاً حول كيفية تمكّن الوزغة من رفع أقدامها بهذه السرعة - في غضون 15 مللي ثانية فقط - دون أي قوى فصل قابلة للقياس. اكتشف كيلار أوتوم وفريقه البحثي "آلية الرفع" لأقدام الوزغة. وكشف اكتشافهم أن المادة اللاصقة لدى الوزغة تعمل بطريقة "قابلة للبرمجة"، فبزيادة الزاوية بين ساق الشعيرة والسطح إلى 30 درجة، وبغض النظر عن مقدار قوة الالتصاق العمودية، تُعطّل الوزغة خاصية الالتصاق، لأن زيادة الضغط على الحافة الخلفية للشعيرة يُؤدي إلى كسر الروابط بين الشعيرة والسطح. ثم تعود الشعيرة إلى حالتها الافتراضية غير المُحمّلة. من ناحية أخرى، من خلال تطبيق حمل مُسبق والسحب على طول السطح، تُفعّل الوزغة خاصية الالتصاق المُعدّل. يُمكن توضيح آلية "الرفع" هذه في الشكل على اليمين.

على عكس المواد اللاصقة التقليدية، يصبح لاصق الوزغ أنظف مع الاستخدام المتكرر، وبالتالي يبقى نظيفًا نسبيًا في وجود الملوثات اليومية مثل الرمل والغبار وأوراق الشجر المتساقطة وحبوب اللقاح. إضافةً إلى ذلك، وعلى عكس بعض النباتات والحشرات التي تتمتع بقدرة التنظيف الذاتي بواسطة قطرات الماء، لا يُعرف عن الوزغ تنظيف أقدامه للحفاظ على خصائصه اللاصقة، فكل ما يحتاجه هو بضع خطوات فقط لاستعادة قدرته على التشبث بالأسطح العمودية.

أجرى كيلار أوتوم وفريقه البحثي تجارب لاختبار هذه القدرة لدى الوزغة وإثباتها. ^{[ 9 ]} كما استخدموا نموذج التلامس الميكانيكي للإشارة إلى أن التنظيف الذاتي يحدث نتيجةً لعدم توازن طاقي بين قوى الالتصاق التي تجذب جزيء الأوساخ إلى السطح وتلك التي تجذب الجزيء نفسه إلى ملعقة أو أكثر. بعبارة أخرى، تتطلب طاقة تفاعل فان دير فالس لنظام الجزيء-الجدار عددًا كبيرًا من أنظمة الجزيء-الملعقة لتحقيق التوازن؛ ومع ذلك، لا يمكن لعدد كبير نسبيًا من الملاعق أن تلتصق بجزيء واحد، ولذلك تميل جزيئات الملوثات إلى الالتصاق بسطح الركيزة بدلًا من إصبع قدم الوزغة بسبب هذا الخلل في التوازن. يوضح الشكل على اليمين نموذج التفاعل بين N ملعقة وجزيء أوساخ وجدار مستوٍ.

من المهم معرفة أن خاصية التنظيف الذاتي هذه تبدو متأصلة في البنية النانوية للشعيرات، وبالتالي يُفترض أن تكون قابلة للتكرار في المواد اللاصقة الاصطناعية. في الواقع، لاحظ فريق كيلار أوتمن استمرار خاصية التنظيف الذاتي في صفوف الشعيرات حتى بعد عزلها من الوزغات المستخدمة في الدراسة.

يتطلب التصميم الفعال للمواد اللاصقة الشبيهة بنسيج الوزغة فهمًا عميقًا للمبادئ الكامنة وراء الخصائص الملاحظة في النظام الطبيعي. تُعرض هذه الخصائص والمبادئ والمعايير ذات الصلة بنظام اللصق لدى الوزغة في الجدول التالي. ^{[ 11 ]} كما يُتيح لنا هذا الجدول فهمًا لكيفية ترجمة العلماء لتلك الخصائص المميزة لشعيرات الوزغة (كما هو موضح في العمود الأول) إلى معايير يمكنهم التحكم بها وتصميمها فعليًا (كما هو موضح في العمود الثالث).

* يشير JKR إلى نموذج جونسون وكيندال وروبرتس للالتصاق ^{[ 12 ]}

باختصار، تشمل المعايير الرئيسية في تصميم مادة لاصقة اصطناعية تشبه جلد الوزغة ما يلي:

• نمط ودورية الشعيرات الاصطناعية
• الهيكل الهرمي
• طول وقطر وزاوية وصلابة الأعمدة
• حجم وشكل وصلابة الملاعق (نهاية الملاعق)
• مرونة الركيزة

هناك قائمة متزايدة من الخصائص المعيارية التي يمكن استخدامها لتقييم فعالية الشعيرات الاصطناعية، ومعامل الالتصاق، والذي يُعرَّف على النحو التالي:

${\displaystyle \mu ^{'}=F_{\text{adhesion}}/F_{\text{preload}}}$

أين${\displaystyle F_{\text{preload}}}$هي قوة التحميل المسبق المطبقة، و${\displaystyle F_{\text{adhesion}}}$هي قوة الالتصاق المتولدة. معامل الالتصاق لشعيرات الوزغة الحقيقية يتراوح عادةً بين 8 و16.

في المراحل الأولى لتطوير الشعيرات الاصطناعية، شاع استخدام البوليمرات مثل البولي إيميد والبولي بروبيلين والبولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) نظرًا لمرونتها وسهولة تصنيعها. لاحقًا، ومع التطور السريع لتقنية النانو، فضّلت معظم فرق البحث استخدام أنابيب الكربون النانوية (CNTs) في معظم المشاريع الحديثة. تتميز أنابيب الكربون النانوية بنسبة طول إلى قطر أكبر بكثير من البوليمرات، كما أنها تتمتع بقوة ومرونة استثنائيتين، بالإضافة إلى خصائص كهربائية جيدة. هذه الخصائص الفريدة هي التي تجعل الشعيرات الاصطناعية أكثر فعالية.

يتم تطبيق عدد من تقنيات تصنيع MEMS / NEMS على تصنيع الشعيرات الاصطناعية، والتي تشمل الطباعة الضوئية / الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون ، والحفر بالبلازما ، والحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE)، والترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والقولبة الدقيقة، وما إلى ذلك.

في هذا القسم، سنقدم عدة أمثلة نموذجية لتوضيح عملية تصميم وتصنيع الشعيرات الاصطناعية. كما يمكننا من خلال هذه الأمثلة أن نلقي نظرة على تطور هذه التقنية المحاكية للطبيعة خلال السنوات القليلة الماضية.

شعر صناعي لأقدام الوزغة

مع تطور علوم النانو وتكنولوجيا النانو، تتزايد المشاريع التي تتضمن تطبيقات تكنولوجيا النانو، ولا سيما استخدام أنابيب الكربون النانوية. في عام 2005، ابتكر باحثون من جامعة أكرون ومعهد رينسيلار للفنون التطبيقية ، وكلاهما في الولايات المتحدة، هياكل شعيرات اصطناعية عن طريق ترسيب أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار على ركائز من الكوارتز والسيليكون. ^{[ 15 ]}

كان قطر الأنابيب النانوية يتراوح عادةً  بين 10 و20 نانومترًا، وطولها حوالي 65  ميكرومترًا. ثم قام الفريق بتغليف الأنابيب النانوية المرتبة عموديًا ببوليمر PMMA قبل كشف الجزء العلوي  منها (25 ميكرومترًا) عن طريق إزالة جزء من البوليمر بالحفر. وميلت الأنابيب النانوية إلى تكوين حزم متشابكة  قطرها حوالي 50 نانومترًا نتيجةً لعملية التجفيف بالمذيب المستخدمة بعد الحفر (كما هو موضح في الشكل على اليمين).

تم اختبار النتائج باستخدام مجهر المسح المجهري ، وأظهرت أن الحد الأدنى للقوة لكل وحدة مساحة هو 1.6 ± 0.5 × 10⁻² ^{نانونيوتن}  /نانومتر² ^، وهو أكبر بكثير من القيمة التي قدّرها الفريق لقوة الالتصاق النموذجية لشعيرات الوزغة، والتي كانت 10⁻⁴ ^{نانونيوتن}  /نانومتر² ^. وكشفت تجارب لاحقة ^{[ 16 ]} أجريت على نفس التراكيب باستخدام شريط لاصق أن هذه المادة قادرة على تحمل إجهاد قص يبلغ 36  نيوتن/سم² ^، أي ما يقارب أربعة أضعاف إجهاد قدم الوزغة. وكانت هذه هي المرة الأولى التي تُظهر فيها الشعيرات الاصطناعية خصائص أفضل من تلك الموجودة في قدم الوزغة الطبيعية. علاوة على ذلك، تتميز هذه المادة الجديدة بقدرتها على الالتصاق بمجموعة أوسع من المواد، بما في ذلك الزجاج والتفلون.

مع ذلك، تُعاني هذه المادة الجديدة من بعض المشاكل. فعند شدّها موازيةً لسطح ما، تنفصل الأشرطة، ليس بسبب فقدان الأنابيب النانوية الكربونية تماسكها بالسطح، بل بسبب انقطاعها، ولا يُمكن إعادة استخدام الشريط في هذه الحالة. علاوةً على ذلك، وعلى عكس شعيرات الوزغة، لا تُناسب هذه المادة إلا مساحات صغيرة (حوالي 1  سم² ⁾ . ويعمل الباحثون حاليًا على تطوير عدة طرق لتقوية الأنابيب النانوية، كما يهدفون إلى جعل الشريط قابلاً لإعادة الاستخدام آلاف المرات، بدلاً من عشرات المرات التي يُمكن استخدامه فيها حاليًا.

جيكل

بينما تركز معظم التطورات على الالتصاق الجاف، درست مجموعة من الباحثين كيفية دمج مشتقات المركبات اللاصقة الطبيعية الموجودة في الرخويات مع هياكل تشبه هياكل الوزغ لإنتاج مواد لاصقة تعمل في كل من الظروف الجافة والرطبة . ^{[ 17 ]}

 تم وصف المادة اللاصقة الناتجة، والتي أطلق عليها اسم "جيكل"، بأنها عبارة عن مجموعة من أعمدة السيليكون المحاكية للوزغة، بعرض 400 نانومتر، تم تصنيعها بواسطة الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون ومغطاة ببوليمر محاكي للمحار، وهو شكل اصطناعي من الحمض الأميني الموجود بشكل طبيعي في بلح البحر (يسار) .

على عكس غراء الوزغة الحقيقي، تعتمد هذه المادة على قوى فان دير فالس لخصائصها اللاصقة، وعلى التفاعل الكيميائي للسطح مع مجموعات الهيدروكسيل في بروتين بلح البحر. تُحسّن هذه المادة الالتصاق في الظروف الرطبة بمقدار 15 ضعفًا مقارنةً بصفوف الأعمدة غير المطلية. يلتصق ما يُسمى بشريط "الوزغة" بقوة خلال 1000 دورة من التلامس والانفصال، في كلٍ من البيئات الرطبة والجافة.

حتى الآن، تم اختبار هذه المادة على نتريد السيليكون وأكسيد التيتانيوم والذهب، وكلها مواد تُستخدم في صناعة الإلكترونيات. مع ذلك، لكي تُستخدم في الضمادات والشريط الطبي، وهو تطبيق رئيسي محتمل، يجب أن تكون قادرة على الالتصاق بجلد الإنسان. اختبر الباحثون بروتينات اصطناعية أخرى مستوحاة من بلح البحر، تحتوي على مجموعات كيميائية مماثلة، ووجدوا أنها تلتصق بالأنسجة الحية. ^{[ 17 ]}

جيكل هو مادة لاصقة يمكنها الالتصاق بالأسطح الرطبة والجافة على حد سواء. وتأتي قوتها من تغليف السيليكون الليفي، المشابه في تركيبه لقدم الوزغة، ببوليمر يحاكي "الغراء" الذي تستخدمه بلح البحر. ^{[ 18 ]}

استلهم الفريق فكرته من السحالي ، التي تستطيع حمل أوزان تفوق وزنها بمئات المرات. تعتمد السحالي على مليارات الشعيرات الدقيقة، المعروفة باسم "الشعيرات" ، للالتصاق. جمع الباحثون هذه القدرة مع قوة الالتصاق لدى بلح البحر. أظهرت الاختبارات أن "المادة يمكن أن تلتصق وتنفصل أكثر من 1000 مرة، حتى عند استخدامها تحت الماء"، مع احتفاظها بنسبة 85% من قوة الالتصاق. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

يعتقد فيليب ميسرسميث، الباحث الرئيسي في الفريق الذي طور المنتج، أن المادة اللاصقة يمكن أن يكون لها العديد من التطبيقات الطبية، على سبيل المثال أشرطة يمكن أن تحل محل الغرز لإغلاق الجروح، ومادة لاصقة مقاومة للماء للضمادات ولصقات توصيل الأدوية. ^{[ 18 ]}

ستكون تقنيات التصنيع الآلية ذات الإنتاجية العالية ضرورية لإنتاج هذه المواد اللاصقة تجارياً، وقد أجرت عدة مجموعات بحثية دراساتٍ في هذا الشأن. وقد درست مجموعة بقيادة متين سيتي من جامعة كارنيجي ميلون مجموعةً من التقنيات المختلفة، بما في ذلك الحفر الأيوني التفاعلي العميق (DRIE)، الذي استُخدم بنجاح في تصنيع مصفوفات ألياف بوليمرية على شكل فطر، وعمليات التشكيل الدقيق، والتجميع الذاتي المباشر، والطباعة الضوئية.

في عام 2006، أعلن باحثون في مركز بي إيه إي سيستمز للتكنولوجيا المتقدمة في بريستول، المملكة المتحدة، عن إنتاجهم عينات من "الوزغة الاصطناعية" - وهي عبارة عن مصفوفات من شعيرات البوليميد على شكل فطر - باستخدام تقنية الطباعة الضوئية، بأقطار تصل إلى 100  ميكرومتر. وقد أظهرت هذه العينات قدرتها على الالتصاق بأي سطح تقريبًا، بما في ذلك الأسطح المغطاة بالأوساخ، حيث  بلغت قوة الالتصاق 3000 كيلوغرام/متر مربع. وفي الآونة الأخيرة، استخدمت الشركة التقنية نفسها لإنشاء قوالب سيليكون منقوشة لإنتاج هذه المادة، واستبدلت البوليميد بمادة بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS). وقد أظهرت هذه المادة الجديدة قوة شد تصل إلى 220 كيلو باسكال. تتميز الطباعة الضوئية بأنها واسعة الانتشار، ومفهومة جيدًا، وقابلة للتوسع بسهولة وبتكلفة منخفضة لتغطية مساحات كبيرة جدًا، وهو ما لا ينطبق على بعض الطرق الأخرى المستخدمة في تصنيع المواد الأولية.

في عام ٢٠١٩، أعلن باحثون من شركة أكرون أسنت إنوفيشنز، وهي شركة منبثقة عن قسم التكنولوجيا بجامعة أكرون ، عن طرح مواد لاصقة جافة تحمل العلامة التجارية " شير جريب " في الأسواق. ^{[ ٢٢ ]} وبدلاً من الاعتماد على الطباعة الضوئية أو غيرها من استراتيجيات التصنيع الدقيق، استخدم الباحثون تقنية الغزل الكهربائي لإنتاج ألياف صغيرة القطر، مستندين إلى مبدأ الانقسام بالتلامس الذي تستخدمه السحالي. وقد أظهر المنتج قوة قص تزيد عن ٨٠ رطلاً لكل بوصة مربعة، مع إمكانية إزالته بسهولة وإعادة استخدامه على العديد من الأسطح، فضلاً عن إمكانية لصقه على مختلف أنواع الأسطح في هياكل أحادية أو ثنائية الجوانب. ^{[ ٢٣ ]} ويُزعم أن هذه الطريقة أكثر قابلية للتوسع من الاستراتيجيات الأخرى لإنتاج الشعيرات الاصطناعية، وقد استُخدمت لإنتاج منتجات للأسواق الاستهلاكية تحت العلامة التجارية "بينليس".

يُباع شريط " نانو " (المعروف أيضاً باسم "شريط جيكو") تجارياً كشريط لاصق مزدوج الجوانب . يُستخدم لتعليق أغراض خفيفة الوزن، مثل الصور والقطع الزخرفية، على الجدران الملساء دون الحاجة إلى إحداث ثقوب فيها. لا تترك أنابيب الكربون النانوية أي بقايا بعد إزالته، ويحافظ على لزوجته حتى في درجات الحرارة القصوى. ^{[ 24 ]}

لا توجد حتى الآن آلة قادرة على المناورة في نطاق "التسلق العمودي" - أي الأداء برشاقة في بيئات التضاريس العمودية العامة دون فقدان الكفاءة في العمل على أرض مستوية. يواجه تطوير الروبوتات المتسلقة العمودية تحديين بحثيين رئيسيين: أولاً، السعي إلى فهم وتوصيف وتطبيق ديناميكيات التسلق (قوى رد فعل الجدار، مسارات الأطراف، التفاعلات السطحية، إلخ)؛ وثانياً، تصميم وتصنيع ونشر تقنيات الرقع اللاصقة التي توفر خصائص الالتصاق والاحتكاك المناسبة لتسهيل التفاعلات السطحية اللازمة.

مع استمرار التقدم في مجال الروبوتات ذات الأرجل ، بدأ البحث يركز على تطوير روبوتات تسلق قوية. وقد تم تطوير العديد من الروبوتات التي تتسلق الأسطح الرأسية المستوية باستخدام الشفط والمغناطيسات ومجموعة من الأشواك الصغيرة لتثبيت أقدامها على السطح.

تم اقتراح استخدام مواد لاصقة مصنوعة من شعيرات اصطناعية كوسيلة لالتقاط وتحريك ومحاذاة الأجزاء الدقيقة، مثل الدوائر الإلكترونية فائقة الصغر، والألياف النانوية، والجسيمات النانوية، والمستشعرات الدقيقة، والمحركات الدقيقة. في البيئات واسعة النطاق، يمكن تطبيق هذه المواد مباشرةً على سطح المنتج، لتحل محل الوصلات القائمة على البراغي والمسامير والغراء التقليدي والوصلات المتشابكة في المنتجات المصنعة. وبهذه الطريقة، سيتم تبسيط عمليات التجميع والتفكيك. كما سيكون من المفيد استبدال المواد اللاصقة التقليدية بمادة لاصقة اصطناعية مستخلصة من شعيرات الوزغة في بيئات الفراغ (مثل الفضاء)، حيث يتبخر المكون السائل في المواد اللاصقة التقليدية بسهولة، مما يؤدي إلى فشل الوصلة.