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Astronomie|Physik Technik|Digitales

Schalter für die Haftkraft

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Blick auf den Fuß eines Geckos (Credit: Bjørn Christian Tørrissen)
Die Haftkraft der Gecko-Füße ist legendär. Sie ermöglicht es den flinken Echsen, problemlos an senkrechten Flächen und selbst an der Decke entlang zu laufen. Gleichzeitig besitzen die Hafthaare der Geckos eine weitere entscheidende Fähigkeit: Sie kleben nur dann, wenn sie es auch sollen. Wie die Geckos dieses Kunststück erreichen, haben US-Forscher nun genauer untersucht. Dabei zeigte sich: Die Geckos können ihre Haftkraft gezielt an- und ausschalten, indem sie kleinste Veränderungen in Winkel und Flexibilität der winzigen Hafthärchen erzeugen. Durch diesen raffinierten Mechanismus können die Tiere ihre Füße ohne viel Gezerre wieder vom Untergrund lösen – und gewinnen dabei sogar noch einen Teil der Energie zurück.

Sie können Wände und selbst Glasscheiben hinaufsteigen und sogar kopfüber an der Decke laufen: Die Kletterkünste der Geckos scheinen die Schwerkraft zu überwinden. Schon der griechische Gelehrte Archimedes soll über die erstaunlichen Fähigkeiten der kleinen Echsen gegrübelt haben. Heute weiß man, dass ein System von hierarchisch gegliederten Hafthaaren an ihren Füßen die Geckos an der Wand kleben lässt. Die zwischen der Oberfläche und den Härchen wirkenden Van der Waals-Kräfte halten den Geckofuß fest. „Die Härchen deformieren sich und bilden Millionen von Kontaktpunkten, von denen jeder eine kleine Last trägt“, erklärt Koautor Alex Greaney von der Oregon State University. Dadurch haftet der Gecko selbst an sehr rauen Oberflächen. Nur wenn es zu nass wird, droht er abzurutschen, wie US-Forscher vor zwei Jahren herausfanden.

In letzter Zeit konzentriert sich die Forschung jedoch auf einen erst auf den zweiten Blick entscheidenden Aspekt der Haftung: das Loslassen. Denn nur wenn die Haftkraft auch schnell wieder aufhört, kann der Gecko seinen Fuß vom Untergrund abheben, um einen Vorwärtsschritt zu machen. Würden seine Hafthärchen immer kleben, käme er nicht vom Fleck. Versuche mit nachgebauten Haftsystemen zeigten bereits, dass die leichten Verdickungen an den Enden vieler tierischer Haftorgane die schnelle Ablösung vom Untergrund fördern, dies benötigt aber relativ viel Energie. Um herauszufinden, wie der Gecko seine Haftung steuert, untersuchten Greaney und sein Kollege Congcong Hu das physikalische Verhalten der Gecko-Hafthaare nun mit Hilfe eines mathematischen Modells.

Asymmetrische Haftzone

Dabei zeigte sich: „Geckofüße sind von Natur aus eigentlich nichthaftend“, erklärt Greaney. „Erst ein simpler, aber genialer Mechanismus erlaubt es dem Gecko, zwischen Haften und Nichthaften hin und her zu wechseln.“ Wie ihr Modell enthüllte, wird die Haftkraft erst aktiviert, wenn die Haare den Untergrund in einem bestimmten Winkel berühren. Die Haftzone ist dabei stark asymmetrisch, das hilft dem Gecko, in verschiedensten Ausrichtungen an der Wand zu kleben, so die Forscher. Eine winzige Scherkraft ist dabei für das eigentliche Anschalten der Haftung verantwortlich. Winkel, Flexibilität und Ausziehbarkeit der Haare wirken dabei synergistisch zusammen und das erst resultiert in der robusten und enorm tragfähigen Haftkraft.

Umgekehrt erlauben schon geringste Veränderungen des Winkels, die Haare ohne großes Zerren wieder vom Untergrund abzulösen. Der Gecko schaltet damit seine Haftkraft sofort aus – und verliert dabei so gut wie keine Energie. Aber nicht nur das: „Eine der wirklich coolen Dinge ist, dass die Hafthaare des Geckos eine große Menge an Energie absorbieren können, diese aber auch wieder freisetzen“, erklärt Greaney. Ähnlich wie eine Feder nach dem Zusammenstauchen zurückschnellt, könnten die Hafthaare dem Gecko damit sogar eine Art Zusatzschub verleihen, wenn er beispielweise plötzlich schnell wegspringt. Gleichzeitig schlucken sie die Aufprallenergie, die frei wird, wenn die Echse sich nach einem Sturz abfängt.

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„Das subtile Geschehen beim An- und Abschalten der Haftung zu verstehen, ist bahnbrechend“, so Greaney. Denn es könnte dazu beitragen, künstliche Haftmaterialien nach dem Gecko-Prinzip weiter zu verbessern. Auch Greaney und Hu wollen nun versuchen, in weiteren Tests und Experimenten, ihre Erkenntnisse auf solche Materialien zu übertragen.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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