スタンフォード研究所が世界で「最も粘着性の高い非粘着性物質」を開発

世界で「最もベタつかない」素材の開発は、ヤモリの小柄な足からインスピレーションを受けました。

スタンフォード機械工学教授マーク・カットコスキーの生体模倣および器用操作研究室 (BDML) は、このトカゲの表面に貼り付く驚異的な能力の特性を研究しています。 BDML では、機械工学博士課程 6 年目です。 学生のトニー・チェンと機械工学博士課程5年のトニー・チェン学生のアマル・ハッジ・アフマド氏は、ヤモリのグリップを模倣した乾燥粘着テープの開発に協力しました。

スタンフォード大学のヤモリ接着剤開発プロジェクトは、米国国防総省の国防高等研究計画局（DARPA）がロボットが吸引なしで壁を垂直に登る方法を考案するという課題を出した後、2000年代半ばに始まった、とチェン氏は語った。 この接着剤は最近、人気の YouTube チャンネル Veritasium の情報ビデオで紹介されました。

ヤモリは典型的には肉食性のトカゲの一種で、大きさは約0.5インチから1フィート強まであり、熱帯雨林と家の両方に生息し、世界中に広く存在しています。

ヤモリの足指パッドの構造により、ヤモリの巧みな登攀能力が備わっています。 動画の中で Cutkosky 氏によると、ヤモリの足指の腹をよく見ると、ラメラとして知られるうねのある部分が見えることがあります。 ラメラは剛毛と呼ばれる剛毛のような茎で構成されており、その先端にはスパチュラと呼ばれるミクロンサイズの枝が付いているとカットコスキー氏は述べた。

ヤモリが登るとき、ファンデルワールス力（皮肉なことに、中性原子間の引力からなる最も弱い分子間力）による付着力に依存します。 これらの力により、ヤモリは好きなように表面に取り付けたり、取り外したりすることができます。

チェン氏によると、ヤモリ接着剤は滑らかな表面でより優れた機能を発揮します。これは、粗い表面ではギザギザがあるため、原子間の距離が長くなり、接着力が弱くなるためです。 Cutkosky氏は、BDMLは「特にボール紙や布地などの滑らかでない素材上での[ヤモリ接着剤の]全体的な性能を向上させる努力を続けている」と書いている。

なぜヤモリなのか？ 「ヤモリは、依然としてファンデルワールス力に依存している最大の動物です」とチェン氏は述べた。 ハッジ・アフマド氏は、対照的に、ゾウや人間のような重い動物は摩擦力に依存しており、摩擦力は垂直の力と重量に相関していると付け加えた。 小さな生物は軽いため、それほど大きな摩擦力を発生できず、ファンデルワールス力に依存します。

最初に開発されて以来、多くの生徒がこの教材を繰り返し学習してきました。 「製造方法やその形状さえも、過去 16 ～ 17 年間で進化しました」とチェン氏は言います。

ハッジ・アフマド氏によると、クライミングヤモリは足の指を「つまんで」付着力を働かせ、その後「このつまみ」の「方向を反転」させて表面を解放します。 研究者が開発した接着剤 BDML は、一方向に荷重がかかると表面にしっかりと接着し、荷重が解除されるときれいに剥がれることで、この挙動を模倣します。

カットコスキー氏によると、ヤモリからヒントを得た接着剤を研究している研究所はBDMLだけではないという。

「これらのほとんどと当社の接着剤との最も重要な違いは、制御性です。当社の接着剤は、せん断力が加わった場合にのみ粘着します。せん断力を緩めると、事実上何の努力もせずに分離できます。」とカットコスキー氏は述べました。一方、他の接着剤は、より多くの労力を必要とする可能性があります。

ハッジ・アフマド氏によると、接着剤を拡大して見ると三角形の構造がテープの接触表面積の可変を可能にし、グリップ力が必要なときは接触面積を増やし、テープを剥がすときは先端面積だけを確保できるようにするという。

ヤモリ接着剤の製造は複数の段階からなるプロセスです。 まず、CNC機械を使って金型を作ります。 CNC は非常に鋭いミクロトームブレードを使用して、肉眼では本質的に見えない三角形のマークを柔らかいワックスに刻み込みます。 接着剤はシリコーンで構成されており、その耐久性が高く評価されており、通常は反応しません。 次に、剛性や粘度などのパラメータから選択された液体シリコーンの特定のバリエーションが金型に注がれ、CNC によってフライス加工された溝に定着します。 薄いフィルムであるカプトンの裏打ち層がその上に適用されます。 シリコーンが硬化したら、型から取り外します。

「（ヤモリ接着剤の）利点は、残留物が残らないことです」とハッジ・アフマド氏は述べ、石英やガラスのウェーハなどの壊れやすい製造部品を破壊する可能性がある吸引よりも優しいと付け加えた。

ヤモリ接着剤は、その強度を実証するためにいくつかのテストが行​​われています。 チェン氏にとって、ヤモリの接着剤を使って「6台の小さなロボットが車を引っ張る」様子は、国際宇宙ステーションで行われた実験と並んで「最も印象的だった」という。

ヤモリ接着剤には限界があります。 現在、各ワックス型は「2、3回しか使用できません…ワックスの特徴が損傷してしまうためです」とハジ・アフマド氏は語った。 大規模な製造については、「より耐久性のある方法を考えなければなりません。」

Gecko 接着剤は、さまざまな産業用途に応用できる可能性を秘めています。 Cutkosky 氏によると、BDML は「ホンダ R&D、フォード モーター カンパニー、Flexiv などと協力してきた」という。 さらに、接着剤を販売する新興企業が設立されたと彼は書いた。

チェン氏は、「ヤモリ接着剤は滑らかな表面で非常によく機能する」ため、「大きくて平らな部品」の移動を伴う自動車産業の組立ラインに応用できる可能性があると述べた。 チェン氏によると、NASAはスペースデブリ除去などの目的でヤモリ接着技術に関心を示しているという。

「ベルクロは研究室で始まり、今ではロールツーロールの製造プロセスになっています。それが（ヤモリ接着剤の）夢です」とハッジ・アフマド氏は語った。

Sarayu と smpai918 'at' stanford.edu に連絡してください。