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Freitag, 30.09.2016
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Gecko schaltet Haftung an - und ab

Raffinierter Mechanismus ermöglicht das schnelle und energiesparende Loslassen

Patent der Natur: Wie schaffen es Geckos, dass ihre Haftfüße nur dann kleben, wenn sie es sollen? Das haben US-Forscher nun herausgefunden. Die Geckos schalten ihre Haftkraft gezielt an und aus, indem sie den Winkel und Flexibilität der winzigen Hafthärchen minimal verändern. Dadurch können die Tiere ihre Füße ohne Gezerre vom Untergrund lösen – und gewinnen dabei sogar noch einen Teil der Energie zurück, wie die Forscher im Fachmagazin "Journal of Applied Physics" berichten.
Der Fuß des Geckos trägt das Haftsytem: hierarchisch gegliederte Haare und Läppchen

Der Fuß des Geckos trägt das Haftsytem: hierarchisch gegliederte Haare und Läppchen

Die Haftkraft der Gecko-Füße ist legendär. Sie ermöglicht es den flinken Echsen, problemlos an senkrechten Flächen und selbst an der Decke entlang zu laufen. Möglich wird dies durch ein System von hierarchisch gegliederten Hafthaaren an ihren Füßen. Die zwischen der Oberfläche und den Härchen wirkenden Van der Waals-Kräfte halten den Geckofuß fest. "Die Härchen deformieren sich und bilden Millionen von Kontaktpunkten, von denen jeder eine kleine Last trägt", erklärt Koautor Alex Greaney von der Oregon State University. Dadurch haftet der Gecko selbst an sehr rauen Oberflächen.

Das Loslassen ist entscheidend


Doch es gibt noch einen zweiten, ebenso entscheidenden Aspekt der Haftung: das Loslassen. Nur wenn die Haftkraft auch schnell wieder aufhört, kann der Gecko seinen Fuß vom Untergrund abheben, um einen Vorwärtsschritt zu machen. Versuche mit nachgebauten Haftsystemen zeigten bereits, dass die leichten Verdickungen an den Enden vieler tierischer Haftorgane die schnelle Ablösung vom Untergrund fördern, dies benötigt aber relativ viel Energie.

Um herauszufinden, wie der Gecko seine Haftung steuert, untersuchten Greaney und sein Kollege Congcong Hu das physikalische Verhalten der Gecko-Hafthaare nun mit Hilfe eines mathematischen Modells. Dabei zeigte sich: "Geckofüße sind von Natur aus eigentlich nichthaftend", erklärt Greaney. "Erst ein simpler, aber genialer Mechanismus erlaubt es dem Gecko, zwischen Haften und Nichthaften hin- und her zu wechseln."


Der Gecko: Geheimnisträger in Sachen Haftkraft

Der Gecko: Geheimnisträger in Sachen Haftkraft

Winkel und Scherkraft als Schalter


Wie ihr Modell enthüllte, wird die Haftkraft erst aktiviert, wenn die Haare den Untergrund in einem bestimmten Winkel berühren. Die Haftzone ist dabei stark asymmetrisch, das hilft dem Gecko dabei, in verschiedensten Ausrichtungen an der Wand zu kleben, so die Forscher. Eine winzige Scherkraft ist dabei für das eigentliche Anschalten der Haftung verantwortlich. Winkel, Flexibilität und Ausziehbarkeit der Haare wirken dabei synergistisch zusammen und das erst resultiert in der robusten und enorm tragfähigen Haftkraft.

Umgekehrt erlauben schon geringste Veränderungen des Winkels, die Haare ohne großes Zerren wieder vom Untergrund abzulösen. Der Gecko schaltet damit seine Haftkraft sofort aus – und verliert dabei so gut wie keine Energie. Aber nicht nur das: "Eine der wirklich coolen Dinge ist, dass die Hafthaare des Geckos eine große Menge an Energie absorbieren können, diese aber auch wieder freisetzen", erkläret Greaney.

Energie wird zurückgewonnen


Ähnlich wie eine Feder nach dem Zusammenstauchen zurückschnellt, könnten die Hafthaare dem Gecko damit sogar eine Art Zusatzschub verleihen, wenn er beispielweise plötzlich schnell wegspringt. Gleichzeitig schlucken sie die Aufprallenergie, die frei wird, wenn die Echse sich nach einem Sturz abfängt.

Das subtile Geschehen beim An- und Abschalten der Haftung zu verstehen, könnte dazu beitragen, künstliche Haftmaterialien nach dem Gecko-Prinzip weiter zu verbessern. Auch Greaney und Hu wollen nun versuchen, in weiteren Tests und Experimenten, ihre Erkenntnisse auf solche Materialien zu übertragen. (Journal of Applied Physics, 2014)
(American Institute of Physics (AIP), 13.08.2014 - NPO)
 
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