Gekkoens magiske tær

Hvem har ikke undret seg over hvordan gekkoen klarer å løpe uanstrengt på glatte og loddrette flater, eller dingle i taket? Nå er hemmeligheten avslørt, og ingeniører er allerede i gang med å lage veggspaserende roboter og gekkolim.

Published

Gekkoer er naturens overlegne klatrere. De kan sprinte opp en polert glassvegg med en fart på en meter i sekundet. Og de kan gjøre det opp ned. Faktisk kan de holde hele sin egen kroppsvekt med bare en tå på veggen.

En amerikansk forskergruppe ledet av Biolog Kellar Autumn ved Lewis and Clark College i Oregon, og kollega Robert J. Full, professor ved Berkeley University of California har studert, målt og avslørt de ørsmå kreftene som gjør at det ser ut som gekkoen bryter naturlovene.

En gammel gåte

Mange forskjellige teorier om hvordan dette går an har vært lansert tidligere: Klissete sekreter, sugekopper eller små kroker, men bare to muligheter ble stående inntil nå: En var at de tropiske firfirslene fester seg til overflaten ved hjelp av en tynn film eller vann.

Fordi vannmolekyler er polare (molekylenes elektriske ladninger er ulikt fordelt), har forskere ment det var en mulighet for at de kunne feste seg til polare molekyler i gekkoens føtter.

Den andre muligheten var at gekkoene fester seg ved hjelp av van der Waals-krefter. Disse kreftene kommer av svingninger i distribusjonen av ladninger mellom nærliggende molekyler. Molekylene trenger ikke å være polare; svingningene i ladningene synkroniseres automatisk, og det dannes en tiltrekningskraft.

Hårete fotsåler

"Bilde av hårtupper fra en gekkofot. Foto: Kellar Autumn og Ed Florance"
"Bilde av hårtupper fra en gekkofot. Foto: Kellar Autumn og Ed Florance"

Gekkoer har millioner av mikroskopiske hår (seta) under føttene, som fungerer som et helt unikt feste. De er ikke lenger enn to diametre av et menneskehår - 100 milliondeler av en meter. En Tokay gekko (Gekko gecko), som hører hjemme sørøst i Asia, har rundt 5 000 hår per kvadratmillimeter.

Litt som flisete hår, ender hvert av dem med mellom 100 og 1000 enda mindre tupper, som ser ut som brokkoli, og bare er synlige i et elektronmikroskop. Disse danner en spatelformet struktur (spatulae) som er med i en molekylær interaksjon med overflaten. Kreftene kalles van der Waals-krefter etter fysikeren og nobelprisvinneren Johannes Diderik van der Waals (1837-1923).

Dette går ut på at ubalanserte elektriske ladninger rundt molekyler tiltrekker hverandre. Ladningene svinger, og kan til og med bli reversert, men den samlede effekten er å dra molekyler sammen, som for eksempel molekylene på en gekkotå, og molekylene på den glatte veggen. Men kreftene virker bare over veldig små avstander. De usannsynlig mange små hårene gjør at gekkotærne får en maksimert kontakt med overflatene, og dermed kan van der Waals-kreftene gjøre at gekkoen henger fast.

Ruller ut tærne

For å måle de ekstremt små kreftene har forskerne samarbeidet med ingeniører om å lage knøttsmå måleinstrumenter. De første målingene som ble presentert for to år siden, viser at et enkelt seta (et hår) kan løfte vekten av en maur. En million seta, som lett får plass på en liten mynt, kan løfte et barn på 45 kilo.

"Tett i tett med hår fra en Tokay gekko. Foto: Kellar Autumn og Ed Florance"
"Tett i tett med hår fra en Tokay gekko. Foto: Kellar Autumn og Ed Florance"

En gekkofot kan ha opp til 500 000 hår, og flere hundre til tusen mindre tupper per hår. Til sammen gjør de intermolekylære kreftene det mulig å holde 1 000 ganger vekten av en gekko. Om en gekko brukte alle hårene samtidig, kunne den holde 130 kilo.

- Gekkoer har utviklet en unik måte å rulle disse hårene ned på overflaten, for så å skrelle dem av igjen, sier Full.

- Når gekkoen fester seg til en overflate, retter den ut tærne som en festblåse som ruller seg ut når du blåser i den, sier Autumn. Han legger til at det ikke er det å feste seg som er problemet; det er mye verre å komme seg løs igjen. En gekko som løper må feste og frigjøre føttene sine 15 ganger i sekundet. Forskerne oppdaget at de små hårene løsnet når de økte vinkelen mellom håret og overflaten. Vinkelen er viktig for å kontrollere både gripingen og slippingen.

Fester seg ikke på teflon

Inntil nå har det vært uklart om det har vært kun de elektrodynamiske kreftene som har vært med på å feste gekkoen. Forskerne trodde allerede for to år siden at de små hårene festet seg bare ved hjelp av intermolekylære krefter, og avviste sugekrefter og kjemiske bindinger. Men de kunne ikke utelukke vannabsorbsjon eller andre typer interaksjon med vann.

Forskerne brukte halvledere for å utelukke en av hypotesene. De testet om gekkoen kunne feste seg til silikondioksid, som er polart, og til galliumarsenid, som ikke er det. Firfislens tær var akkurat like klebrige på begge overflatene, og dermed beviste forskerne at det var van der Waals-kreftene som hadde det hele og fulle ansvaret for klebrigheten. Forskerne har rapportert oppdagelsen i Proceedings of the National Academy of Sciences.

Eksperimenter som ble gjennomført for 30 år siden, viser at gekkoer (på samme måte som speilegg) ikke kan feste seg til teflon, som hindrer at van der Waals kreftene får virke. Og selv om hårene fungerer meget bra på glatte overflater som glass, kan voksede overflater i naturen stoppe klebeeffekten ved å hindre de intermolekylære tiltrekningskreftene. Mens gekkoen kanskje ikke trenger mer enn 10 prosent av hårene for å gå på glass, trenger den kanskje mer for å spasere rundt på blader og annen vegetasjon.

Gjenbrukbart og selvrensende

Gekkofestet fungerer i vakuum, under vann, legger ikke igjen rester, og er selvrensende. Forskerne prøvde å gi gekkoen en klamp rundt foten ved å skitne til hårene på fotsålene med støv, men fem skritt senere var de rene igjen.

Den mangfoldige gekkoen har 850 forskjellige arter, og finnes verden over, så de forskjellige og sammensatte hårene og føttene til de ulike gekkoene holder fremdeles på mange hemmeligheter. For eksempel er det ingen som vet hva slags tilpasning som skjer når gekkoene spaserer på forskjellige typer overflater. Nye oppfinnelser basert på gekkohår vil ikke bli lett å designe, mener enkelte.

Bedre enn Spiderman?

"Gekkoer gir ingeniører gode ideer."
"Gekkoer gir ingeniører gode ideer."

Men forskergruppen har allerede to patenter basert på sine oppdagelser, og ingeniører jobber med å konstruere en veggklatrende robot.

- Jeg kan ikke se på Spiderman-filmen uten å tenke at vi kan gjøre det enda bedre. Når alt kommer til alt, spiser jo gekkoer edderkopper, sier Autumn til Science.

Oppdagelsen har inspirert til å lage prototypen på verdens første tørre og selvrensende lim, som vil kunne fungere både i verdensrommet og under vann. To prototyper av limen er allerede laget ved å støpe to forskjellige sett med imitasjoner av gekkohår. Formen som ble brukt, var et mikrofilter. Biologer bruker ofte slike filter for å fjerne bakterier fra oppløsninger. Til slutt satte forskerne silikongummi eller polyester på tuppene.

Reddende robogekko?

I laboratoriet festet begge materialene seg like godt til de fleste overflater som de naturlige veggløperne. Og fordi gekkohårenes klebrighet blir skrudd av og på mekanisk, blir den heller aldri dårligere.

Ingeniører ser i større grad på biologiske strukturer for å finne nye tilnærminger til designproblemer. Firfislens bevegelser har allerede inspirert roboten mecho-gecko, som har klebrige føtter og en hale til å balansere med. Roboten kan bevege seg over farlig terreng, og man ser for seg at den for eksempel kan bli nyttig i redningsaksjoner.

Les mer:

Forsker: Autumns side
PNAS: Sammendrag av forskningsrapporten
Pressemelding: Fra Berkeley, University of California
Forening: Global gecko assosiaction

Referanser:

Autumn, K. et al; Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae, Proceedings of the National Academy of Sciences, publisert på nett, doi:10.1073/pnas.192252799 (2002).

Autumn, K. et al; Adhesive force of a single gecko foot-hair, Nature, 405, 681 - 685, (2000).