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Anpassungsfähiges Reibungssystem Rutschfest dank Heuschreckenfuß und Kaffeesatz

| Redakteur: Christian Lüttmann

Heuschrecken klettern problemlos an verschiedensten Flächen hoch. Dass sie dort nicht abrutschen, verdanken sie ihren speziellen Füßen. Diese haben nun Kieler Forscher dazu inspiriert, rutschfeste Pads zu entwickeln, die sich wie die Heuschreckenfüße dem Untergrund anpassen. Welche Funktion trockener Kaffeesatz dabei hat, erfahren sie in diesem Beitrag.

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Einfache und kostengünstige Herstellung: Der Prototyp des rutschfesten Pads besteht aus einem Silikonkissen, das mit getrocknetem Kaffeesatz als Granulat gefüllt ist.
Einfache und kostengünstige Herstellung: Der Prototyp des rutschfesten Pads besteht aus einem Silikonkissen, das mit getrocknetem Kaffeesatz als Granulat gefüllt ist.
(Bild: Siekmann, CAU)

Kiel – Auf ihrer Nahrungssuche müssen Insekten häufig sowohl raue und glatte als auch glitschige Untergründe bewältigen. Festen Halt geben ihnen dabei z.B. hakenartige Krallen oder Hafthärchen an ihren Füßen. Während so unterschiedlichen Anforderungen für viele Insekten kein Problem darstellen, sind technische Anwendungen weniger flexibel. Sie werden in der Regel gezielt für einen spezifischen Nutzen entwickelt – wie zum Beispiel Sommer- oder Winterreifen – und können sich nicht an unterschiedliche Untergründe anpassen.

Inspiriert von der besonderen Struktur von Heuschreckenfüßen hat ein interdisziplinäres Forscherteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) jetzt ein künstliches Reibungssystem entwickelt, das auf verschiedenen Untergründen funktioniert.

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Heuschreckenfüße als Vorbild

Für einen festen Halt braucht es gleichzeitig eine gute Kontaktfläche und eine stabile Kraftübertragung. „Um auf verschiedenen Oberflächen zu haften, müsste man – eigentlich ein Widerspruch – zwischen dem Verhalten von weichen und festen Materialien wechseln“, sagt Stanislav Gorb, Professor für Funktionelle Morphologie und Biomechanik an der CAU. Während ein weicher Materialzustand eine große Kontaktfläche zum Untergrund ermöglicht, erlaubt ein fester Zustand eine große Kraftübertragung. Gemeinsam mit seinem Team suchte der Bioniker daher eine Möglichkeit, zwischen den beiden Eigenschaften zu wechseln.

Weitergeholfen hat ein näherer Blick auf Heuschrecken: Ihre Füße zeichnen sich durch kleine, kissenartige Zusätze aus, die besondere Eigenschaften haben. Bereits in früheren Forschungsarbeiten hatte Gorb mit seinem Team nämlich gezeigt, dass diese Kissen zum einen mit einem gummiartigen Film umhüllt sind, der einen guten Kontakt zum Haftuntergrund bietet. Zum anderen bestehen sie im Inneren aus stabilen Fasern, die eine große Kraft übertragen können. Solch eine Faserstruktur nachzubauen, wäre für eine industrielle Anwendung allerdings zu zeitaufwendig und zu teuer.

Stattdessen experimentierte das Kieler Forscherteam mit granulatgefüllten Silikonhüllen. Und tatsächlich ergab sich dadurch ein ähnlicher Haftungseffekt wie bei den Heuschreckenfüßen. Dieser beruht auf dem Prinzip der „Jamming transition“, wie Halvor Tramsen aus Gorbs Team erklärt: „Man kann sich das vorstellen wie in einer Packung Kaffee: Das Kaffeepulver wird durch Druck fest zusammengepresst und bildet so eine dichte Masse, fest wie ein Stein. Wird die Packung geöffnet, fällt das Pulver locker und verhält sich somit ganz anders, fast wie eine Flüssigkeit.“.

Rutschfestigkeit im Versuch nachgewiesen

Das Granulat ummantelten die Wissenschaftler mit einer flexiblen Membranhülle und testeten den Halt ihres „Granulat-Kissens“ auf glatten, strukturierten sowie auf verschmutzten Untergründen. Durch seine weiche Hülle legte sich das Kissen passgenau an die verschiedenen Oberflächen an. Anschließend übten die Wissenschaftler Druck auf das Kissen aus, wodurch sich die Körner im Inneren verdichteten und sich das ganze Kissen verfestigte. Diese Festigkeit und die große Kontaktfläche zum Untergrund erzeugen hohe Reibungskräfte, durch die sich das Kissen nicht mehr verschieben lässt. Auf allen drei Typen von Testflächen erreicht es einen besseren Halt als reines Silikongummi oder als ein mit Flüssigkeit gefülltes Kissen.

Wie das Prinzip der Reibungsmaximierung des Granulat-Kissens auf weiteren Untergründen funktioniert, zeigt ein Modell, das Professor Alexander Filippov erarbeitet hat, Theoretischer Physiker in der Kieler Arbeitsgruppe. Seine Berechnungen erlauben auch, das Zusammenspiel von Granulat und Membran für andere Materialien und Partikelgrößen zu testen.

Praktischer Nutzen für Kaffeesatz

Für die ersten Tests der Granulat-Kissen hätten sich die Forscher quasi in den Kaffeeküchen des Instituts bedienen können, wie aus Gorbs Erklärung ersichtlich wird: „Bei unserem Prototyp nutzten wir für die Hülle dehnbares Silikon und füllten sie – tatsächlich – mit getrocknetem Kaffeesatz.“ Durch ihre Partikelgröße und ihre raue Form würden sich diese Partikel sehr leicht miteinander verhaken und der Effekt der „Jamming Transition“, also der Wechsel zwischen den Eigenschaften weicher und fester Materialien, komme besonders gut zum Tragen. Grundsätzlich sei es durchaus denkbar, getrockneten Kaffeesatz im Sinne des Recyclings auch für industrielle Anwendungen zu nutzen. Immerhin sei der Reststoff leicht verfügbar, frei von Schadstoffen und günstig, ergänzt Gorb. Forschungen zu weiteren Materialien und Untergründen sind bereits geplant.

Originalpublikation: Maximizing Friction by Passive Jamming. Halvor T. Tramsen, Alexander E. Filippov, Stanislav N. Gorb, Lars Heepe: Quantum-non-demolition state detection and spectroscopy of single trapped molecules, Adv. Mater. Interfaces 2020, DOI: 10.1002/admi.201901930

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