Поступай як равлик для науки
Завдяки своєму слизу равлик може прилипати до будь-якої поверхні; він рухається туди, ковзаючи, ніби нічого не сталося.
Слизь, слимак, прилипає до всіх видів поверхонь. На крутих схилах він рухається послідовними скороченнями стопи, паралельно поверхні.
Малюнок Бруно Вакаро
"Йти вперед, як равлик", повинен бути компліментом: дуже стійкий на єдиній нозі, ця тварина очищає всі перешкоди без видимих зусиль, тримаючись за поверхні незалежно від їх стану та орієнтації (див. Малюнок 1). Секрет цього черевоногих молюсків? Його слиз, гель, який він виділяє і який, як і кетчуп, може переходити з твердого стану на рідкий - дивовижний матеріал, твердий, коли потрібно притримуватися і підтримувати, і рідкий, коли потрібно рухатися вперед.
Як рухатися вперед, ніколи не піднімаючи стопу? Не так просто, як це можна випробувати вдома. Щоб ковзати ногою по землі, ми повинні докласти горизонтальну силу, що перевищує порогове значення, пропорційне вазі, яку підтримує наша нога.
Припустимо, ми добре тримаємо рівновагу, при цьому вага рівномірно розподіляється по кожній нозі. Якщо одна з ніг рухається вперед, інша рухається назад. Дійсно, пороги досягаються одночасно в силу закону дії та реакції, і ми залишаємось на місці! Щоб рухатися вперед, ви повинні перенести свою вагу на одну з двох стоп, наприклад праву; ковзати лівою ногою, зберігаючи нерухому праву ногу, - що можливо, оскільки вага, що підтримується лівою ногою, а отже і порогова сила, нижча, ніж у правої ноги; зупинитися; перенести вагу на ліву ногу; І так далі.
Цей режим пересування, крім свого відривного характеру, виснажує. На гумовій підошві по дереву порогова сила майже дорівнює вазі, що підтримується. Крім того, саме тертя між стопою та землею змушує нас рухатися вперед. На тонкому шарі оливи мастило таке, що ковзає. На вощеній підлозі або з лижами на снігу тертя низьке, а рушій делікатний: ви легко катаєтесь і з найменшого нахилу ковзаєте назад. Для катання на лижах ми обманюємо, використовуючи палиці, подібні до кількох ніг, на які ми спираємось; або обладнавши лижі ущільнювальною шкірою: відбувається пробуксовка, коли лижа просувається в напрямку купи, але в іншому випадку блокується.
Повернемось до нашого равлика. Як він обходить стіни та стелю? Як йому вдається як утриматися на поверхні, так і рухатися? Маса від 10 до 40 грам, ця тварина не може триматися на стелі, приймаючи розчин, прийнятий певними комахами: чіпляючись за крихітні щілини на всіх поверхнях. Він занадто важкий і йому не вистачає ніг. Що стосується використання міжмолекулярних сил Ван дер Ваальса, що діють на дуже велику контактну поверхню, як геккон, вагою в сто грамів, не потрібно про це думати. Безшерста нога равлика не має мікроструктур, як ноги гекона - і як підняти ногу, коли у вас є лише одна ?
Тиксотропний слиз
З механічно рудиментарним організмом, рудиментарний розчин: щоб прилипнути до стелі, равлик виділяє гель, який діє як клей. Проблема в тому, що якби цей клей був ще міцним, будь-який рух був би неможливим; а якби вона все ще була рідкою, тварина ковзала. Тому равлик став фахівцем з реології, науки про потік рідин, виробляючи цілком особливий слиз.
У спокої слиз равлика являє собою твердий гель. Він містить 96 або 97 відсотків води та розчинених солей та три-чотири відсотки білка. Ці білки, прикріплені один до одного за допомогою атомів сірки, утворюють пружну тривимірну мережу. У десять тисяч разів менш жорсткий, ніж каучук, це желе тим не менше утворює твердий клей, який дозволяє стопі равлика прилипати до будь-якої поверхні.
Як равлик рухається по слизу? Він починає стискати, паралельно поверхні, задню частину ноги, щоб рухати її вперед приблизно на міліметр. На цій стадії і в цьому місці шар слизу, товщиною від 10 до 20 мікрометрів, зазнає двох протилежних сил із землі та стопи равлика. Ці сили зсуву перевищують пружні можливості слизу і розривають зв’язки між білками: замість того, щоб деформуватися, як еластичне тверде тіло, слиз починає текти, як рідина. Це те, що дозволяє нозі ковзати локально.
Потім, як намистинка килима, область скорочення стопи поширюється вперед. Під нерухомою задньою частиною стопи білкові зв’язки реформуються менш ніж за десяту секунду, і шар слизу знову стає твердим і липким. Хвиля стиснення поширюється вперед і, потрапивши в передню частину стопи, равлик розгортає стиснуту плоть: потім вона рухається вперед на міліметр. Насправді стопа равлика утворює від 12 до 17 опуклостей, які одночасно поширюються вперед: поки стопа ковзає приблизно на десяту частину її поверхні, вона тримає міцну опору, що дозволяє їй прилипати, а не відступати на інших дев'яти десятих.
Енергоємний рух
Недоліком цього рушія є велика кількість енергії, необхідної для синтезу слизу. Цей режим пересування в 12 разів енергоємніший, ніж біг! Але його простота та міцність надихають робототехніків (див. Малюнок 2). Уявіть собі не шарнірний, дуже стійкий, всюдихідний робот, покритий корозійно-стійкою гумою і просто пересувається у найбільш ворожих середовищах - і все це завдяки тиксотропній рідині, тобто матеріалу, який є твердим при низьких механічних навантаженнях і рідині в іншому випадку . Цього вдалося досягти в 2005 році командою Анетт Хосої з Массачусетського технологічного інституту (Міт). Його RobotSnail2, оснащений п’ятьма подушечками, просувається по тонкому шару лапоніту, тиксотропної синтетичної глини у вертикальному положенні або навіть догори дном !
Чи обов’язково нам потрібна тиксотропна рідина, яка має такі особливі властивості, для пересування на одній нозі? Той факт, що деякі морські молюски не виділяють один і той самий слиз, щоб прилипати до гірських порід або рухатися, оскільки слиз рухомого руху набагато більш рідкий і не є тиксотропним, свідчить про те, що не.
Насправді, у равликів є друга стратегія пересування по похилих опорах: вони розтягують нижню частину стопи, хвилеподібно рухаючись спереду назад. Що відбувається зі слизом між опорою і стопою? У найвужчих місцях тиск у рідині вищий, ніж у найширших місцях. Це призводить до течії рідини назад, і внаслідок в’язкості носій надає силу прямої реакції. Передаючись стопі, ця реакційна сила рухає равлика вперед. За подібним механізмом водні равлики рухаються під поверхнею води догори дном стопою паралельно межі повітря-вода.
Швидкість, яку досягає равлик у цьому режимі пересування, пропорційна швидкості поширення хвилеподібних хвиль. Оснащений вертикальними алюмінієвими пластинами, закріпленими на гумовій стрічці, RobotSnail1, побудований А. Хосоєм та його колегами, рухається за цим механізмом, використовуючи просту в'язку рідину, і досягає швидкості в один сантиметр в секунду (див. Рисунок 3). Гоночний автомобіль порівняно з його біологічними колегами !