스탠포드 연구실, 세계에서 가장 끈적이지 않는 물질 개발

세계에서 가장 끈적이지 않는 소재의 개발은 도마뱀붙이의 작은 발에서 영감을 받았습니다.

스탠포드 기계 공학 교수인 Mark Cutkosky의 BDML(생체 모방 및 손재주 조작 연구소)은 표면에 달라붙는 이 도마뱀의 놀라운 능력의 특성을 연구합니다. BDML에서 6년차 기계공학 박사. 학생 Tony Chen과 5년차 기계공학 박사. 학생 Amar Hajj-Ahmad는 도마뱀붙이의 그립력을 모방한 건식 접착 테이프를 개발하기 위해 협력했습니다.

스탠포드의 도마뱀 붙이 접착제 개발 프로젝트는 미국 국방부 산하 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)가 로봇이 흡입 없이 수직으로 벽을 오를 수 있는 방법을 고안하라는 과제를 발표한 후 2000년대 중반에 시작되었다고 Chen은 말했습니다. 이 접착제는 최근 인기 YouTube 채널인 Veritasium의 정보 동영상에 소개되었습니다.

게코(Geckos)는 일반적으로 육식성 도마뱀의 일종으로 크기가 약 0.5인치에서 1피트보다 약간 더 크며 열대 우림과 집 모두에 서식하며 전 세계적으로 널리 퍼져 있습니다.

도마뱀붙이의 발가락 패드의 해부학적 구조는 능숙한 등반 능력을 갖추고 있습니다. 영상 속 Cutkosky에 따르면, 도마뱀붙이의 발가락 패드를 가까이서 보면 얇은 판으로 알려진 골이 있는 부분을 볼 수 있습니다. 얇은 판은 강모라고 불리는 강모 같은 줄기로 구성되어 있으며 주걱이라고 불리는 미크론 크기의 가지로 끝난다고 Cutkosky는 말했습니다.

도마뱀붙이가 기어오를 때 반데르발스 힘(아이러니하게도 가장 약한 분자간 힘)에 의한 접착력에 의존합니다. 이는 중성 원자 사이의 인력으로 구성됩니다. 이러한 힘을 통해 도마뱀붙이는 원하는 대로 표면에 부착하고 분리할 수 있습니다.

Chen에 따르면, 도마뱀붙이 접착제는 매끄러운 표면에서 더 나은 기능을 가지고 있습니다. 왜냐하면 거친 표면의 울퉁불퉁함은 원자 사이의 거리가 더 멀기 때문에 접착력이 약해진다는 것을 의미하기 때문입니다. Cutkosky는 BDML이 "특히 판지나 직물과 같이 매끄럽지 않은 재료에서 [게코 접착제]의 전반적인 성능을 향상시키기 위해 계속 노력하고 있습니다"라고 썼습니다.

도마뱀붙이는 왜? Chen은 “도마뱀붙이는 여전히 반 데르 발스 힘에 의존하는 가장 큰 동물입니다.”라고 말했습니다. Hajj-Ahmad는 대조적으로 코끼리나 인간과 같은 더 무거운 동물은 수직력 및 무게와 상관관계가 있는 마찰력에 의존한다고 덧붙였습니다. 작은 유기체는 더 가볍기 때문에 많은 마찰력을 생성할 수 없으며 반 데르 발스에 의존합니다.

자료가 처음 개발된 이후 수많은 학생들이 자료를 반복했습니다. Chen은 “우리가 그것을 제조하는 방식과 심지어 그것의 기하학적 구조까지 지난 16~17년 동안 발전해 왔습니다.”라고 말했습니다.

Hajj-Ahmad에 따르면, 기어오르는 도마뱀붙이는 접착력을 발휘하기 위해 발가락을 "꼬집고" 그런 다음 표면을 풀기 위해 "이 꼬집음"의 방향을 "역전"합니다. BDML 연구진이 개발한 접착제는 한 방향으로 로드되면 표면에 단단히 접착되고, 언로드되면 깨끗하게 벗겨지는 방식으로 이러한 동작을 모방합니다.

Cutkosky는 BDML이 도마뱀붙이에서 영감을 받은 접착제를 연구하는 유일한 연구실은 아니라고 말했습니다.

“대부분의 접착제와 우리 접착제의 가장 중요한 차이점은 제어 가능성입니다. 우리의 접착제는 전단력을 가할 때만 달라붙습니다. 전단력을 완화하면 사실상 아무런 노력 없이 분리될 수 있지만 다른 것들은 더 많은 노력이 필요할 수 있다고 Cutkosky는 말했습니다.

Hajj-Ahmad에 따르면 접착제를 확대할 때 보이는 삼각형 구조는 테이프의 다양한 접촉 표면적을 가능하게 하여 더 많은 접지력이 필요할 때 면적을 늘리고 테이프를 떼어낼 때 팁 면적만 확보할 수 있습니다.

도마뱀붙이 접착제를 제조하는 과정은 여러 단계로 이루어집니다. 먼저 CNC 기계를 이용해 금형을 제작합니다. CNC는 매우 날카로운 마이크로톰 블레이드를 사용하여 육안으로는 본질적으로 보이지 않는 부드러운 왁스에 삼각형 표시를 압입합니다. 접착제는 내구성이 뛰어나고 일반적으로 반응성이 없는 실리콘으로 구성됩니다. 다음으로, 강성 및 점도와 같은 매개변수에 따라 선택된 특정 변형 액체 실리콘을 금형 위에 붓고 CNC에 의해 가공된 홈에 정착됩니다. 그 위에는 얇은 필름인 캡톤(Kapton)의 지지층이 도포됩니다. 실리콘이 경화되면 금형에서 제거됩니다.