Como as lagartixas conseguem escalar paredes?

Como as lagartixas conseguem escalar paredes?

As lagartixas são escaladoras lendárias, capazes de se agarrar a quase qualquer superfície, até mesmo algo tão liso e escorregadio como vidro. Elas têm pés tão firmes que podem dormir penduradas de cabeça para baixo.

O segredo dos répteis é um sistema adesivo engenhoso – sem ventosas ou cola pegajosa envolvida – que os cientistas da UA – Universidade de Akron e de outros lugares passaram anos desvendando, na esperança de fazer uma versão sintética comparável ou até superior.

“A lagartixa pode meio que fazer de tudo,” forte e maravilhosa. “É como um super-heroína!”

Mas a água pode ser a criptonita das lagartixas. Claro, ficar colocado em uma vidraça seca é impressionante. Que tal quando a superfície está úmida ou os pés da lagartixa estão encharcados?

Isso é o que prova ser forte e seus colegas da UA estão tentando testar. O projeto deles faz parte de um campo emergente e revolucionário chamado biomimética, ou bioinspiração, no qual os cientistas exploram a natureza em busca de ferramentas e técnicas para resolver problemas humanos.

Com base em sua profunda experiência na manipulação de polímeros – as moléculas naturais e artificiais que compõem muito do que encontramos na vida cotidiana – a UA está se tornando um centro de pesquisa de bioinspiração.

Seus cientistas estão trabalhando para aproveitar a força da seda de aranhas, decifrando o brilho iridescente das penas de pássaros e entendendo a engenhosa automontagem de ossos e conchas do mar.

O reitor e vice-presidente de pesquisa da universidade se comprometeu a gastar 4 milhões de dólares durante os próximos dois anos ou mais em pesquisa e inovação em biomimética.

O dinheiro será usado para estabelecer um centro de pesquisa em biomimética, contratar mais professores e funcionários e atrair mais financiamento para pesquisa em biomimética.

A UA também fez parceria com a Great Lakes Biomimicry Collaborative, uma nova organização que planeja promover o design bioinspirado como uma ferramenta de desenvolvimento econômico para a região.

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E a universidade lançou um programa de doutorado em “biociência integrada” para treinar cientistas em biologia e disciplinas como ciência de materiais, física, computadores e engenharia.

A mistura dá a força e outros alunos as ferramentas e a mentalidade para lidar com pesquisas complexas que fazem a ponte entre os sistemas vivos e artificiais, como adaptar a viscosidade natural das lagartixas para usos comerciais.

Se os cientistas puderem superar alguns dos principais desafios tecnológicos para fazer superfícies parecidas com as da lagartixa – e eles estão se aproximando – as recompensas podem ser enormes: adesivos cirúrgicos e industriais que funcionam quando molhados.

Robôs de escalada de paredes para trabalhos de vigilância e salvamento, luvas esportivas à prova de trapos e patches pegajosos para microeletrônicos que eliminam a solda enquanto ajudam um iPad ou smartphone a funcionar mais frio.

Uma empresa de subproduto da UA fundada pelo presidente do Departamento de Ciência da Polímero, Ali Dhinojwala, está se preparando para fazer uma “fita lagartixa” especializada e a universidade espera gerar outros negócios e semear os já existentes com seus graduados bioinspirados.

“Nosso objetivo é fazer com que os alunos criem ou se envolvam em novas startups na área”, disse o biólogo da UA Peter Niewiarowski, que liderará a nova iniciativa de biomimética e colabora com Dhinojwala na pesquisa de lagartixas. “Esse é o Santo Graal.”

Com uma lagartixa atrelada a um pequeno motor e empoleirado em um painel de vidro umedecido, começa uma espécie de tração em um trator lagarto.

Enquanto o motor puxa seu arreio, os pés da lagartixa ficam firmemente plantados, mas o resto de seu corpo se estica. Seu peito sarapintado arfa um pouco com a tensão.

Um sensor digital marca a força crescente necessária para permanecer parado. Finalmente, a adesão dos dedos dos pés da lagartixa ao vidro cede e ela desliza para trás.

Persistindo

A espantosa viscosidade das lagartixas fascina as pessoas há séculos. Em 350 aC, Aristóteles elogiou sua escalada acrobática.

Uma lenda hindu do século 17 afirma que um guerreiro chamado Tanaji se amarrou a um lagarto para escalar uma parede de penhasco íngreme e atacar o forte inimigo.

Embora seja improvável que uma lagartixa pudesse içar um homem (a lenda hindu envolvia um lagarto monitor maior), os testes de laboratório do biólogo da Universidade de Massachusetts Duncan Irschick mostram que uma lagartixa pode segurar até 250 por cento de seu peso corporal, ou cerca de 4,5 libras, enquanto se apega a uma superfície vertical lisa. É como se Kyrie Irving dos Cavaliers conseguisse grudar no vidro da tabela com Anderson Varejão e Daniel Gibson pendurados nas costas.

Como as lagartixas conseguem essa adesão fenomenal tem sido alvo de pesquisas por mais de um século.

Os cientistas reduziram gradualmente a lista de possíveis suspeitos de adesivo lagartixa. Eles descartaram métodos encontrados em outras partes da natureza: eletricidade estática que faz as meias grudarem na secadora; ventosas como as dos pés de rã; mecanismos interligados, como urtigas, que inspiraram a invenção do velcro e as secreções de muco pegajoso que grudam lesmas de jardim nas folhas e cracas nos cascos dos navios.

A resposta veio à tona há apenas uma década e ainda há questões não resolvidas sobre certos detalhes do processo.

A coleta de pistas exigiu os microscópios mais poderosos do mundo, que permitem aos pesquisadores perscrutar o reino do nanômetro, vendo estruturas tão pequenas quanto um único átomo.

Quando esses microscópios foram treinados no pé de uma lagartixa, eles revelaram uma paisagem incrivelmente complexa.

Cada uma das cinco pontas dos dedos do pé do lagarto tem uma série do que parece a olho nu como cristas sólidas e elevadas, como os passos de um tênis.

Uma inspeção mais detalhada mostra que as cristas são realmente florestas de pelos minúsculos e densamente agrupados, chamados cerdas.

Cada fio de cabelo não tem mais que quatro milésimos de polegada de comprimento e é feito de proteína beta-queratina, a mesma substância rígida do bico dos pássaros, espinhos de porco-espinho, cascas de tartarugas e unhas humanas.

Uma única almofada de dedo do pé da lagartixa tem mais de um quarto de milhão dos pelos.

Com uma ampliação extrema, cada cerda se ramifica como um talo de brócolis em centenas de filamentos ainda mais finos chamados espátulas. As fibras das espátulas são ligeiramente curvas e terminam em protuberâncias planas e triangulares 100 vezes menores do que um ácaro.

Em 2002, o biólogo Kellar Autumn, do Lewis & Clark College de Oregon, e uma estudante, Anne Peattie, finalmente identificaram a origem do apego das lagartixas – uma força tênue, quase imperceptível, chamada de atração de van der Waals.

É uma ligação temporária entre moléculas individuais no dedo do pé da lagartixa e aquelas na superfície que o dedo toca.

A atração ocorre apenas quando as moléculas estão extremamente próximas umas das outras, a não mais do que alguns nanômetros de distância. Isso é cerca de um 45.000º da espessura de um pedaço de papel.

Em teoria, pressionar a palma da mão contra a vidraça deveria ativar a atração de van der Waals e permitir que você escalasse o vidro.

Mas, no nível nanométrico, a pele da palma da mão e até mesmo a superfície aparentemente lisa do vidro são tão irregulares e ásperas quanto o Himalaia.

Muito pouco das duas superfícies realmente entra em contato próximo, então há uma atração minúscula de Van der Waals.

Mas, como Autumn e seus colegas descobriram, a evolução forneceu às lagartixas e alguns outros tipos de lagartos uma solução única, que lhes permitiu sair do reino terreno típico dos répteis e explorar novos habitats.

As centenas de milhões de pontas dos pelos flexíveis dos dedos dos pés se encaixam em quase todos os cantos e fendas do que quer que a lagartixa pise.

O grande número de talos e sua capacidade de combinar com os contornos variáveis ​​da superfície multiplicam amplamente o efeito de van der Waals. A lagartixa gruda facilmente.

Autumn calculou que, se todas as pontas do cabelo se prendessem simultaneamente, uma lagartixa típica poderia suportar 293 libras de força de tração.

Alguns fios de cabelo não estão presos, mas o suficiente está em contato a qualquer momento para fazer da lagartixa uma escaladora extraordinária, capaz de subir a até 3 quilômetros por hora.

O sistema de adesão das lagartixas não é apenas altamente eficaz, também é inteligente.

Os talos do cabelo são ligeiramente curvos, dando às lagartixas a capacidade de ligar e desligar sua viscosidade. A curvatura mantém as pontas em um ângulo suficiente para que elas não acionem automaticamente o efeito van der Waals. A posição padrão dos cabelos é “não pegajosa”.

Para ativar a adesão, a lagartixa planta e arrasta levemente a pata. Isso endireita os talos e pontapés do cabelo com a força de van der Waals.

Para descolar, a lagartixa curva os dedos dos pés para cima, restaurando a curvatura natural do cabelo e quebrando a aderência.

As lagartixas podem fazer isso em um piscar de olhos, casualmente colando e descendo os pés enquanto correm.

A composição química dos fios evita que se colem uns aos outros e percam eficácia. Os cabelos também liberam sujeira e, até certo ponto, gotículas de água.

Isso dá às lagartixas um adesivo naturalmente autolimpante, reutilizável, resistente à água e controlado pelo usuário, que faz babar os fabricantes de fitas e cola.

Momento de micro-cabelo

Em 2002, Dhinojwala da UA participou de uma conferência de adesão em New Hampshire e ouviu Autumn descrever o que aprendeu sobre como as lagartixas grudam.

Dhinojwala é um cara do polímero, não um biólogo. Sua especialidade é entender como as superfícies de polímero sintético se comportam, principalmente quando são expostas a temperaturas extremas, água e fricção.

Mas o que Autumn estava descrevendo sobre o comportamento de uma superfície natural – os milhões de micro-pelos nos dedos dos pés de uma lagartixa – chamou sua atenção.

“Vários de nós … tínhamos nossas próprias ideias sobre como imitar a estrutura encontrada nas lagartixas”, disse Dhinojwala. “Quando voltei da reunião, foi aí que a inspiração começou. Os polímeros eram uma ótima escolha.”

A experiência da UA com polímeros remonta ao início de 1900 e aos laços estreitos da universidade com a indústria de pneus.

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Os fabricantes de pneus Goodyear, Firestone e Goodrich estavam sediados em Akron, a “Cidade da Borracha”, atendendo ao florescente negócio automotivo.

A borracha é um polímero natural, mas sem aditivos, é frágil e não tem um bom desempenho no calor ou no frio.

A UA ofereceu cursos de química da borracha no início de 1909 e iniciou seu Instituto Técnico da Borracha em 1942 para ajudar no desenvolvimento da borracha sintética.

Desde então, o foco da universidade em polímeros se expandiu muito além da indústria de pneus, em áreas como eletrônica, revestimentos de proteção e biomateriais.

Sua Faculdade de Ciência e Engenharia de Polímeros, fundada em 1988, é respeitada internacionalmente.

Os primeiros esforços para fazer pelos de lagartixa sintéticos usaram fios de plástico minúsculos e meticulosamente fabricados que foram fundidos em moldes ultrapequenos.

Em 2003, uma equipe liderada pelo físico Andre Geim, da Universidade de Manchester na Grã-Bretanha, foi capaz de produzir um fragmento de fita adesiva do tamanho de uma unha usando o método.

Seu poder de aderência era próximo ao do lagarto, e os cientistas tiveram muita cobertura de notícias ilustrando seu artigo de pesquisa com um brinquedo do Homem-Aranha preso a uma vidraça com fita adesiva. Eles pensaram em cobrir as mãos de um voluntário com o material e pendurá-lo em uma das janelas do laboratório.

Mas fazer tanta fita de lagartixa teria levado muito tempo e custaria milhares de dólares, Geim disse a um entrevistador da BBC Online.

A façanha também pode ter sido arriscada. Geim, que acabou ganhando o Prêmio Nobel de Física em 2010 por outro trabalho com polímeros, relatou que muitos dos fios de plástico de sua fita gecko ou fita lagartixa murchavam ou quebravam depois de apenas alguns usos, arruinando sua adesão.

Como o nome indica, os nanotubos de carbono são cilindros ocos minúsculos. Suas paredes são feitas de folhas de carbono com a espessura de um átomo, o constituinte do carvão, diamantes e grafite.

Usando calor e alguns aditivos, os pesquisadores podem cultivar nanotubos de carbono como cabelos – um processo mais fácil do que moldar nanofibras de plástico.

Em 2007, trabalhando com cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute de Nova York, a equipe de Dhinojwala havia tornado os fios de nanotubos de carbono ainda mais finos do que os dos dedos dos pés de uma lagartixa.

Ao prender os fios de cabelo com força, os pesquisadores conseguiram criar um pedaço de fita adesiva de lagartixa 10 vezes mais grudenta do que a fita de plástico de Geim e quatro vezes mais grudenta do que os fios de cabelo naturais de uma lagartixa.

Um pedaço do material um pouco maior do que um botão de telefone celular poderia suportar quase 4 quilos de peso.

Pode grudar em vidro, mica e até mesmo Teflon. Como os cabelos de uma lagartixa, não é preciso muito esforço para descolar os nanotubos de carbono. E eles não quebraram, o que significa que o efeito adesivo não se dissipou.

Como um bônus importante, os nanohairs baseados em carbono conduzem calor. Além de ser pegajoso, o adesivo atua como um pequeno radiador.

“O gerenciamento de calor é um dos maiores desafios para a indústria de eletrônicos”, disse Dhinojwala.

“A indústria de diodos emissores de luz está realmente sofrendo agora porque a vida do LED é controlada pelo calor.

Você superaquece e ele vai embora. Os processadores agora em um iPad estão ficando quentes. Eles têm que descobrir como resfriar isso é o que achamos que será nosso maior tiro. “

As fitas inspiradas na lagartixa não podem ser feitas tão barato quanto os adesivos tradicionais, mas a capacidade de dissipar o calor pode fornecer um nicho no mercado competitivo.

ADAP Nanotech LLC , a empresa start-up Dhinojwala sediada em Akron, fundada em 2009 com um de seus ex-alunos de graduação, Sunny Sethi, recebeu 250.000 dólares em financiamento da aceleradora de tecnologia de Cleveland JumpStart Inc, que já planeja começar as vendas comerciais.

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Se em seu imóvel tem muitas lagartixas, certamente temos um descontrole ambiental que, esta promovendo um alto volume de insetos que atraem estes animais, portanto é sempre bom avaliar.

Podemos lavar e lacrar sua caixa d’água, tendo em vista que estas lagartixas costumam cair nestes reservatórios se decompondo nas águas, causando danos maiores para os moradores.

Colaboração natural

Para que os adesivos de lagartixa sintéticos sejam bem-sucedidos, eles precisam funcionar tão bem – ou até melhor do que – suas contrapartes naturais.

Isso significa funcionar em condições do mundo real, em condições extremas de sujeira, água e clima, assim como as lagartixas. Criar o adesivo ideal requer um conhecimento não apenas de polímeros, mas também de lagartixas.

Enquanto o especialista em polímeros Ali Dhinojwala trabalhava no cabelo sintético da lagartixa, um especialista em lagartos trabalhava a apenas uma quadra de distância no campus da UA para decifrar o comportamento e a fisiologia dos répteis. 

O biólogo Peter Niewiarowski – cujo primeiro artigo de pesquisa em 1989 foi sobre o metabolismo das lagartixas – tinha acabado de ser escolhido para dirigir o novo programa integrado de biociência da universidade, que combina o treinamento tradicional da biologia com outros campos da ciência e da engenharia.

Parecia natural que Niewiarowski e Dhinojwala se unissem, não apenas porque seus interesses lagartixas se encaixavam, mas porque isso exemplificava o que era o novo programa de doutorado interdisciplinar.

Normalmente, “a maneira como essas colaborações acontecem é meio aleatória”, disse Niewiarowski. “Com o programa integrado de biociências, estamos tentando criar mais oportunidades para aproximar as pessoas.”

A colaboração inicial dos dois professores e seus alunos rapidamente valeu a pena, com resultados de pesquisas em 2008 que lançaram uma nova luz sobre como a temperatura e a umidade afetam a capacidade de grudar das lagartixas.

(Os resultados são complicados, mas basicamente, a umidade aumenta a adesão das lagartixas em temperaturas mais baixas, mas não mais altas.)

Alyssa Stark se matriculou no programa integrado de biociência logo após a publicação do estudo.

A californiana, cujo curso de graduação é em biologia animal, queria usar a ciência dos polímeros para expandir sua compreensão de como funcionam os sistemas naturais.

“Estou na capital mundial da ciência de polímeros”, disse ela. “Gostei da ideia de ser uma espécie de cobaia.”

Stark continuou a pesquisa da equipe da lagartixa UA sobre os efeitos da água e desempenhou um papel em uma descoberta surpreendente que mostrou o valor de sua abordagem integrada.

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Enquanto trabalhava em um laboratório escuro, limpando as placas de vidro em que as lagartixas andam durante os experimentos de adesão, Stark notou alguns resíduos tênues nas vidraças. “Eu normalmente apenas lavei”, disse ela. “Os alunos de polímero disseram, ‘O que é isso? Parece uma pegada.’ “

Os pesquisadores não esperavam que as lagartixas deixassem pegadas em uma superfície como vidro, já que as pontas dos dedos dos pés ficam muito limpas.

Trabalhando juntos, os biólogos, cientistas de polímeros e químicos fizeram algumas análises sofisticadas que revelaram que o resíduo era uma fina camada de lipídios, o material que a natureza usa como membranas protetoras, entre outras coisas.

Os pesquisadores da UA não têm certeza de por que as lagartixas deixam um rastro fantasmagórico de pegadas lipídicas, mas isso adiciona uma ruga à história de adesão.

Dhinojwala suspeita que a proteção contra desgaste e danos possa estar envolvida – algo que a universidade conhece muito a partir de sua pesquisa de pneus.

“Se você faz algo realmente pegajoso e tenta retirá-lo, tende a causar danos”, disse ele. Em uma lagartixa, “talvez haja um mecanismo onde você coloca uma pequena camada de sacrifício – pode ser lipídio ou uma combinação de lipídio e algo que ainda não descobrimos – que permite que os pelos da lagartixa tenham aderência, mas não frenagem catastrófica.

Esse é um dos mecanismos muito simples que usamos para projetar pneus. Um pneu essencialmente deixa uma camada de carbono para trás sempre que você rola. “

Embora essas descobertas possam eventualmente levar a fitas gecko mais duráveis, ou outros produtos ainda inimagináveis, os pesquisadores da UA dizem que há um propósito maior: produzir jovens cientistas como Alyssa Stark, que podem mudar a maneira como as universidades e empresas concebem novas ideias.