Klettern an rauen vertikalen Oberflächen mit hierarchischer richtungsabhängiger Haftung

Frühere Forschungen in der Biologie und Mechanik haben die Bedeutung der Hierarchie für die Leistung trockener Haftsysteme auf rauen Oberflächen gezeigt. Der Gecko nutzt mehrere Hierarchieebenen, die auf Längenskalen von Millimetern bis zu Hunderten von Nanometern arbeiten, um sich auf glatten und rauen vertikalen Oberflächen, von Glas bis Stein, zu bewegen. Das hierarchische System des Geckos hat zwei Hauptfunktionen: Es ermöglicht die Anpassung an die Oberfläche für eine große effektive Kontaktfläche und verteilt die Last gleichmäßig auf die Kontaktpunkte. Wir präsentieren ein neues zweistufiges richtungsabhängiges Haftsystem, das diese Fähigkeiten für einen gecko-inspirierten Kletterroboter bietet. Die distalen Merkmale bestehen aus keilförmigen Strukturen mit einer Basisbreite von 50 µm und einer Höhe von etwa 180 µm. Die Keile sind auf schrägen zylindrischen Merkmalen montiert, die einen Durchmesser von 380 µm und eine Länge von ca. 1 mm haben. Zusammen biegen sich die proximalen und distalen Merkmale bevorzugt in Richtung der Neigung, wenn sie mit einer tangentialen Kraft belastet werden, und erreichen eine Kombination aus richtungsabhängiger Haftung und Anpassung an raue Oberflächen. Mit diesem System kann ein vierbeiniger Roboter, der zuvor nur auf glatten Oberflächen klettern konnte, vertikale Oberflächen wie Holzplatten, lackierte Metalle und Kunststoffe erklimmen. Auf raueren Oberflächen verbessert das zweistufige System die Haftung um den Faktor fünf im Vergleich zu den Keilmerkmalen allein. Das hierarchische System verbesserte auch die Ausrichtung und Leistung bei großen Patchgrößen.