Möchten Sie über Dachtraufen und Wände fliegen? Du brauchst meine Füße.

Jeder junge Mann hat einen solchen Kampfkunsttraum: ein Schwert halten, einen Bambushut tragen, Wände hochklettern und über Dachtraufen fliegen, um für Gerechtigkeit zu sorgen! In unserem wirklichen Leben gibt es tatsächlich einen solchen „Helden“, der über außergewöhnliche Kampfkunstfähigkeiten verfügt und es innerhalb von Minuten schafft, „frei die Wand zu erklimmen“.

Er ist unser heutiger Protagonist – der Gecko.

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Tipps zum Gecko-Spaziergang

Der Riesengecko (Gekko Gecko) kann sich frei an senkrechten Flächen, Decken und in Felsspalten bewegen. Man kann sagen, dass es sich um einen Experten für Bewegung in allen Räumen handelt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Füße des Geckos über eine Haftfähigkeit verfügen und der Gecko ein großwüchsiges Hafttier mit relativ hohem Körpergewicht ist.

Foto eines Riesengeckos in Gefangenschaft

Der Haftmechanismus ist wissenschaftlich bereits relativ gut erforscht. Das motorische Haftorgan des Geckos ist ein typisches mehrstufiges, verteiltes System – an jedem Fuß befinden sich fünf unabhängig voneinander verteilte Zehen und jede Zehe hat 10–15 bogenförmige Hautlappen, die mit Millionen von Borsten im Mikro-Nano-Bereich bedeckt sind. Die Haftung der Fußsohle beruht hauptsächlich auf der zwischenmolekularen Kraft, die durch die winzigen Borsten an der Unterseite und der Lauffläche erzeugt wird . Der Durchmesser dieser Borsten beträgt etwa 5µm, also nur ein Fünfzigstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Es ist wirklich nicht einmal so stark wie eine Haarsträhne! Die Entstehung dieser Haftkraft hängt von einem mehrstufigen Haftsystem (einschließlich Sohle-Zehe-Lasche-Borste) und der effizienten und präzisen Regulierung dieses Haftsystems ab.

Das mehrschichtige Haftorgan der Geckos

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Sehen Sie, wie Geckos die Freiheit erreichen, festzukleben

Der Riesengecko ist die größte aller Haftarten. Seine Kontrolle über die Adhäsionsfähigkeit profitiert nicht nur von der hierarchischen Adhäsionsstruktur, sondern hängt auch von der effizienten und feinen Regulierung der Adhäsionsstruktur ab . Die Fußsohle ist das Haftorgan des Geckos und weist die strukturellen Merkmale einer starr-flexiblen Kopplung auf. Die Untersuchung des motorischen Verhaltens während des Zyklus von Fußhaftung und -ablösung ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der umfassenden Anpassungsfähigkeit der Adhäsionsfortbewegung. Der Adhäsions-Ablösungs-Bewegungszyklus der Fußsohle ist in Stütz- und Schwungphasen unterteilt, wobei die Stützphase hauptsächlich in drei Phasen unterteilt ist: Kontakt , Adhäsion und Ablösung .

Verschiedene Stadien des Haft- und Ablöseprozesses der Vorder- und Hinterpfoten des Geckos

Bisherige Studien haben gezeigt, dass die Bewegungshaltung und Anordnung der Geckofüße während der Adhäsionsphase mit der Adhäsionskraft (Richtung und Stärke) zusammenhängen. Beispielsweise verändert der Gecko die Anordnung seiner fünf Zehen, um schiefen Ebenen mit unterschiedlichen Winkeln und Schwerkraftbelastungsrichtungen zu begegnen, und verändert die Stützhaltung der Zehen während der Stützphase, um mit Untergründen unterschiedlicher Form zurechtzukommen. Darüber hinaus können sich Geckos durch Anpassung ihrer Gangart an die Bewegungsanforderungen unterschiedlicher Umgebungen anpassen . Beispielsweise wird die Haftzeit der Fußsohlen bei Bewegungen in unterschiedliche Richtungen auf der vertikalen Ebene angepasst und die Bewegungsgeschwindigkeit auf Untergründen mit unterschiedlichen Schrägwinkeln verändert sich deutlich. Studien haben jedoch ergeben, dass die Zeit, die ein einzelner Zeh benötigt, um die Haftung vollständig herzustellen, unverändert bleibt.

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Wissenschaftler fotografierten heimlich Geckofüße

Die Forschung zur Regulation des Fußbewegungsverhaltens bei Adhäsionsbewegungen ist noch nicht abgeschlossen. Wie ist das Bewegungsverhalten des Fußes in verschiedenen Stadien der Adhäsions-Ablösungsbewegung? Beeinflussen die Bewegungen in den einzelnen Phasen die Haftwirkung der Fußsohlen? Diese Fragen sind noch unklar.

Um eine systematische Studie über das Bewegungsverhalten der Pfoten während des Adhäsions-Ablösungs-Zyklus durchzuführen und die adaptiven Regulierungsstrategien zu verstehen, die von den Adhäsions-Ablösungs-Verhaltensmustern der Geckopfoten in unterschiedlichen Bewegungsumgebungen übernommen werden, untersuchten die Forscher das Adhäsions-Ablösungs-Bewegungsverhalten der Geckos auf unterschiedlich geneigten Oberflächen (horizontale Ebene, 45°-Neigung und vertikale Ebene) und in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen (aufwärts und abwärts). Man könnte es als einen „direkten Schuss gegen die Füße“ bezeichnen.

Forscher führen Experimente an Riesengeckos im Labor durch

Im Rahmen der Studie wurde ein Motion-Capture-System aufgebaut, um das Bewegungsverhalten kleiner Tiere mit großen flexiblen Organen genau zu messen. Die Markierungspunkte am Rumpf, den Gliedmaßen, den Fußsohlen und anderen Organen des Geckos wurden während der Kletterbewegung präzise erfasst.

Hierzu wurde das Bewegungsverhalten des Geckos erfasst und quantifiziert, eine Reihe von Bewegungsparametern zur quantitativen Charakterisierung der Fußsohlenbewegung definiert, die Verhaltensmuster der Adhäsions-Ablösebewegung der Vorder- und Hinterfußsohlen analysiert und zusammengefasst, die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Adhäsions-Ablösebewegungsmuster der Vorder- und Hinterfußsohlen verglichen und die kollaborative Beziehung zwischen Fußsohlen und Gliedmaßen zusammengefasst.

Das vom Bionik-Institut der Universität für Luft- und Raumfahrt Nanjing gebaute synchrone Präzisionstestsystem für Bewegungsverhalten und Reaktionskraft

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Folge mir in Zeitlupe

Die Adhäsions-Ablöse-Bewegungszyklen der Vorder- und Hinterpfoten des Geckos bleiben in unterschiedlichen Umgebungen überraschend ähnlich, wie beispielsweise: der Prozentsatz der Kontaktzeit während der Kontaktphase (Vorderpfote: 7,42 %; Hinterpfote 7,44 %) und der Beugewinkel (Vorderpfote 41°; Hinterpfote 51°), der Bewegungsbereich der Vorderpfote (Gieren 163°; Nicken 309°) und der Nickbereich der Hinterpfote (164°).

Die Bewegungswinkel der Vorder- und Hinterpfoten des Geckos beim Auf- und Absteigen auf unterschiedlich geneigten Böden

Darüber hinaus bleibt die Bewegungshaltung der anhaftenden Sohle unverändert, was sich hauptsächlich darin äußert, dass die Bewegungswinkel der Vorder- und Hintersohlen (einschließlich Gier- und Nickwinkel) in einem einzigen Anhaftungs-Ablösezyklus konstant bleiben und die Gierwinkel der Vorder- und Hintersohlen dazu neigen, zuerst abzunehmen und dann zuzunehmen.

Darüber hinaus gibt es deutliche Unterschiede in der Bewegungshaltung des Vorderfußes und des Rückfußes: Die Veränderungstendenz des Vorfuß-Neigungswinkels ist entgegengesetzt zu der des Rückfußes. Der Neigungswinkel des Vorfußes nimmt zunächst ab und dann zu, während der Neigungswinkel des Rückfußes zunächst zunimmt und dann abnimmt. und der Bewegungswinkelbereich des Vorderfußes ist größer als der des Rückfußes. Dieser Unterschied ist hauptsächlich auf die unterschiedlichen anatomischen Strukturen und Funktionsanforderungen des Vorderfußes und des Rückfußes zurückzuführen.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass das Bewegungsverhalten der vorderen und hinteren Haftpfoten des Geckos im Haft-Ablöse-Zyklus konsistent ist, was die Rhythmik im Haft-Ablöse-Bewegungszyklus der Pfoten widerspiegelt. Dieses Bewegungsmuster reduziert die Komplexität der Bewegungsregulierung der Haftpfoten bei der Reaktion auf unterschiedliche Umgebungen.

Die Haltung der Vorder- und Hinterpfoten des Geckos in verschiedenen Stadien des Adhäsions-Ablösungszyklus

Die flexiblen Haftsohlen des Geckos weisen in unterschiedlichen Umgebungen den gleichen Haft-Ablöse-Bewegungszyklus auf, einschließlich der Schwinghaltung der Sohlen in der Luft und des Biegungsgrades beim Kontakt mit dem Untergrund. Dies liegt vor allem daran, dass die Sohlen die strukturellen Eigenschaften einer starr-flexiblen Kopplung und spezifische Anforderungen an die Haftfunktion aufweisen. Angesichts von Umweltveränderungen können Geckos die Bewegung ihrer Gliedmaßen mit mehreren Freiheitsgraden anpassen und die Haft- und Ablösebewegungen ihrer Füße koordinieren, um in verschiedenen Umgebungen schnell und stabil zu klettern. Sie werden zu Experten im Klettern an Wänden und Treppen.

„Der große Gecko“ inspiriert uns dazu, dass bei bionischen Kleberobotern mit hochflexiblen Fußstrukturen und Gliedmaßen mit hohem Freiheitsgrad die Bewegungskontrolle der Füße oft universell ist, während die Gliedmaßen adaptiv an Veränderungen in der Umgebung angepasst werden müssen . Können wir uns in ähnlicher Weise von anderen magischen Tieren inspirieren lassen, um interessante und nützliche Erfindungen zu entwickeln? Dies ist möglicherweise der Reiz der Wissenschaft.

Alle Bilder in diesem Artikel stammen von der Kinetic Mechanics Group des Bionics Institute, School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

Quellen:

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Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Zong Weijia, Wang Zhouyi, Universität für Luft- und Raumfahrt Nanjing

Rezension｜Zhao Heling, Herausgeber von „Asian Amphibian and Reptile Studies“

Planung | Mao Ping, Bibliothekar des Chengdu Institute of Biology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produzent｜China Science Expo

Eingereicht von: Computer Information Network Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Das Titelbild dieses Artikels stammt aus der Copyright-Bibliothek

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