Интерес горожан к бионике связан с дефицитом земельных площадей и с безудержным ростом этажности зданий. Более того, известно, что на верхних этажах современных небоскребов колебания под воздействием порывов ветра довольно ощутимы, благодаря чему многие работы на высоте затруднены. Именно поэтому представители ряда профессий сильно заинтересованы в расширении возможностей человека по перемещению в пространстве. Это строители, монтажники, мойщики окон, полицейские, спасатели и т. д.

Решить эту проблему, возможно, помогут цепкопалые ящерицы – гекконы (Gekkonidae), характеризующиеся высокой специализацией пальцев и способные совершенно спокойно передвигаться вверх и вниз по наклонным и вертикальным поверхностям, включая обычное стекло, и даже лапами вверх по потолку.

Нужно заметить, что механизм прикрепления гекконов к совершенно гладким поверхностям окончательно не выяснен и по сей день. Между тем, основываясь на имеющихся данных о присасывающем эффекте, ученые и инженеры уже создали два бионических имитатора этой рептилии.

Поначалу натуралисты были уверены, что на лапках геккона имеются присоски. Немец Геральд Винклер (Gerald Winkler), следуя этому принципу, сконструировал геккомат, с помощью которого человек может передвигаться по отвесным поверхностям любого качества: деревянным, металлическим, гладким, шероховатым, липким и т. п.

Комплект геккомата состоит из четырех надеваемых на руки и ноги присосок, имеющих форму дисков, которые шлангами соединены с 1–2 баллонами на спине (каждый из которых рассчитан на создание вакуума в течение одного часа), а креплениями – с человеком. Сцепление получается столь прочное, что чуть ли не каждая присоска способна выдержать вес в 250 кг. Путешествие по вертикали контролирует компьютер: при каждой новой установке присоски «гекконавт» получает звуковые и визуальные (красными и зелеными светодиодами) сигналы о силе сцепления. Когда сцепление не устанавливается в течение 2 секунд, подается сигнал тревоги. Если присоски пристегнуть к поясу, можно освободить руки. Однако вся экипировка весит 25–30 кг, что не очень комфортно.

Рис. 1. При помощи "Геккомата" испытателю удалось подняться на 20 метров по стеклянной стене

Затем некоторое время считали, что за удивительную способность бегать по отвесным и даже наклоненным в обратную сторону стенам отвечают особые клейкие вещества, выделяемые железами на лапках.

Однако несколько лет назад с помощью электронного микроскопа (при увеличении в 35 000 раз) удалось установить, что ни присосок, ни клеящего вещества у этой ящерки нет.

Оказалось, что чешуйки на нижней стороне пальцев видоизменены по подобию расширенных пластинок, на которых поперечными рядами располагаются более 200 млн микроскопических щеточек, состоящих, в свою очередь, из еще более микроскопических волосков... Ученые обнаружили, что каждая отдельная ворсинка расположена на возвышенности, что обеспечивает ее свободное перемещение по отношению к соседним щетинкам, а все вместе они расположены вдоль пластинок наподобие снопов спелой пшеницы в поле.

Рис. 2. Лапа ящерицы

Благодаря своей ничтожно малой величине крючкообразные волоски, сужающиеся на кончиках до долей микрона, способны соединяться с такими же ничтожно малыми неровностями гладкой (как кажется людям) наклонной или вертикальной поверхности силами межмолекулярного взаимодействия, называемыми также силами ван-дер-Ваальса. При этом создается весьма значительная сила сцепления, составляющая от 0,5 до 5 кДж/моль.

Результаты этого открытия используются сегодня в двух направлениях.

Во-первых, создаются новые, покрытые наноскопическими волосками материалы, воспроизводящие прилипающую способность лапок геккона, из которых впоследствии можно будет шить костюмы для лазания по стенам.

Один из них, названный каптоном, разработан в Манчестерском университете (Великобритания). Покрытие на ощупь мягкое и гибкое. Лоскут площадью в один квадратный сантиметр содержит около ста миллионов кератиновых волосков (высотой 2 микрона и диаметром 0,2 микрона) и выдерживает один килограмм веса.

Рис. 3. Наноскопические волоски

Человеку достаточно покрыть руку лентой, выполненной из этого материала, чтобы прилипнуть к потолку. Отклеиться же можно, постепенно отдирая ленту с одного края. Однако синтетический аналог пока не может быть использован многократно.

Другой материал изобретен исследователями из Бристоля (США). О нем известно, что он может не только сразу приклеиваться ко всему, к чему прикасается, но так же легко и отсоединяться. При этом ученые заявляют, что материал может использоваться как для людей, так и для аппаратов, призванных выполнять опасные работы на большой высоте.

Третий вариант – результат работы ученых из института Макса Планка (Германия) по созданию эффективной склеивающей ленты (подобной скотчу), но более липкой, более прочной, многократного использования и способной сохранять эти качества даже в условиях невесомости.

Во-вторых, изучая геккона, специалисты заинтересовались управлением процессов прилипания и отлипания его лапок. Все 6,5 млн щетинок средней ящерки могут выдерживать вес до 130 кг. Впечатляющая сила сцепления заставляет задуматься: как же гекконы отрывают свои лапки от поверхности всего за 15 мс? Оказалось, что щетинка легко отцепляется, если ее наклонить на 30°: ствол волоска действует как рычаг, отрывающий лопаточки от поверхности. Чтобы уменьшить усилие, геккон отлепляет щетинки по очереди, а не все сразу.

Этот принцип управляемого «сухого прилипания» уже начал реализовываться для создания искусственной гекконовой лапки и роботов–гекконов.

Учеными Станфордского университета (США) под руководством профессора Марка Каткоски был создан робот Stickybot.

Рис. 4. Робот-ящерица Stickybot

Метин Ситти его коллеги из института робототехники университета Карнеги–Меллона (США) построили робота на ногах–колесах. В сочетании с принципом колеса и подпружиненным хвостом, которым робот опирается на стену при вращении колес, «липкие подушечки» позволяют машине двигаться далеко не по самым гладким поверхностям. Мириады же волокон обеспечивают при этом очень высокую площадь контакта.

Рис. 5. Робот-геккон и принцип его передвижения

Ученые рассчитывают, что в перспективе им удастся усовершенствовать свои творения, придав им большую цепкость. Кстати, подобные роботы могли бы использоваться для исследования других планет, а также труднодоступных мест на Земле.