※ Hình ảnh bọ que (Photographer Lotzman Katzman)
Liệu các nghiên cứu về những con côn trùng que di chuyển chậm với khả năng bám dính có giúp vận động viên Olympic Usain Bolt chạy nhanh hơn trên đường đua 100m ? Các nhà nghiên cứu tại Cambridge tin rằng điều đó hoàn toàn có thể . Và nguyên nhân nằm ở sự khác biệt của đốt (chân) bám dính (sticky toes) và đốt có lông (hairy toes).
Các nhà khoa học vật liệu thường học được rất nhiều thứ từ tự nhiên, có thể lấy ví dụ như côn trùng que chả hạn. Khi cần đu bám chúi đầu xuống đất (ví dụ bám dính vào một cành cây), loài động vật không xương sống và “bất chấp” trọng lực này sẽ sử dụng một miếng đệm đặc biệt trên chân của chúng, bên cạnh việc sử dụng móng vuốt. Nhờ có miếng đệm này chúng có thể bấu víu vào hầu hết mọi bề mặt vật liệu. Tuy nhiên khả năng này lại có một nhược điểm, đó là làm giảm tốc độ di chuyển đáng kể ở những điều kiện bình thường, ví dụ đi bộ trên mặt đất như con người chả hạn. Vậy làm thế nào để những con bọ que có thể giải quyết được vấn đề này ?
Một nghiên cứu mới đây của Đại Học Cambridge đã hé lộ ra rằng, điều giúp cho các con bọ que vượt qua được vấn đề về nhu cầu di chuyển này chính là sự kết hợp đầy thú vị của vật liệu mềm và vật liệu cứng. Bằng cách sử dụng một kết hợp của những miếng đệm cứng để hút dính và những miếng đệm lông để tăng ma sát (thay vì bấu dính hoàn toàn), côn trùng có thể vừa bấu chặt vào bề mặt vật liệu, vừa di chuyển tự do khi cần thiết.
“Bọ que đã phát triển một cách thức khéo léo để vượt qua vấn đề mâu thuẫn giữa khả năng bấu dính và di chuyển, bằng một hệ thống hai tấm đệm, thay thế luân phiên giữa trạng thái bám và bấu dính tùy tình huống,” Ông David Labonte, trưởng nhóm nghiên cứu đến từ Khoa Động Vật Học (Department of Zoology) cho biết. “ Bằng sự sắp xếp và hình thái học của những tấm đệm này, tự nhiên đã dạy cho chúng ta một thiết kế thú vị kết hợp tính chất của vật liệu mềm và vật liệu cứng. Qua đó khiến các lực cơ bản như lực ma sát có biến đổi lớn chỉ với một áp lực rất nhỏ.”
Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, bọ que có hai phần đệm chân riêng biệt ở cuối mỗi chân. Phần đệm ngón chân (bám) dính có các sợi lông cứng để leo trèo trên tường hoặc di chuyển bên dưới các nhánh cây. Các sợi lông này được xếp thẳng hàng và có đầu phẳng để đạt diện tích tiếp xúc lớn nhất khi tương tác với bề mặt, từ đó tạo ma sát lớn và hầu như ít bị thay đổi. Trong khi phần đệm ở gót chân (“heel pad”) có lông mềm để tạo ra lực ma sát giúp bám nhưng không quá chặt vào bề mặt khi đứng thẳng. Độ lớn của lực ma sát này có thể điều chỉnh phụ thuộc vào cách sắp xếp và hình dạng của các sợi lông siêu nhỏ với độ dài ngắn khác nhau. Bằng cách tăng giảm áp lực, côn trùng có thể dễ dàng tăng hoặc giảm ma sát. Điều này có thể đạt được là do sự kết hợp của ba yếu tố mà giáo sư Labonte và các đồng nghiệp đã mô tả dưới đây:
– Cả phần đệm và đầu các sợi lông đều hình tròn. Điều này có nghĩa là, khi đặt một áp lực lên chúng sẽ tạo ra một khoảng bề mặt tiếp xúc rộng dần lên- giống như việc bạn ấn lên một quả bóng cao su vậy.
– Một vài sợi lông có kích thước ngắn hơn, nên khi gia tăng áp lực, số sợi lông tiếp xúc với bề mặt tương tác sẽ nhiều hơn.
– Khi tăng thêm áp lực, một vài sợi lông sẽ bị uốn và tạo thành các tiếp xúc phụ- tăng diện tích tiếp xúc chỉ với lực tác dụng rất nhỏ.
Các yếu tố thiết kế đó giúp tạo ra một lượng ma sát lớn chỉ với một áp lực tương đối nhỏ từ côn trùng. Và ngược lại, sẽ không có một diện tích tiếp xúc nào xuất hiện nếu không có áp lực, đồng nghĩa với việc những sợi lông “ma sát” đó không bám dính.
Những nghiên cứu từ tự nhiên đã đem đến rất nhiều tiến bộ trong công nghệ hiện đại. Có thể lấy ví dụ như sự phát triển của vật liệu cách nhiệt siêu mỏng từ nghiên cứu về lông gấu bắc cực chả hạn. Trong trường hợp của bọ que, các nhà khoa học hy vọng từ nghiên cứu này, các phát minh mới về vật liệu dành cho đế giày thể thao sẽ sớm được đưa vào ứng dụng thực tế. Dù không có khả năng chạy 100 m nhanh như Usain Bolt, bọ que cũng có thể giúp cho nhà vô địch cán đích nhanh hơn một chút không chừng. Giáo Sư Labonte giải thích: “ Khi bạn chạy, bạn sẽ không muốn chân mình bị dính vào mặt đất, thế nhưng bạn cũng cần phải cảm thấy yên tâm rằng mình sẽ không bị trượt ngã. Chúng tôi nghiên cứu về côn trùng để thử nghiệm và tìm hiểu về các hệ thống sinh học. Nhưng những gì thu được từ tự nhiên cũng có thể có ích trong việc mở ra hướng tiếp cận mới cho các thiết bị, đồ dùng chế tạo bởi con người.”
Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí khoa học Journal of the Royal Society Interface.
Người dịch: Trungmaster, theo Gizmag
Link luận văn:
David Labonte, John A. Williams and Walter Federle, “Surface contact and design of fibrillar ‘friction pads’ in stick insects (Carausius morosus): mechanism for large friction coefficients and negligible adhesion”, J. R. Soc. Interface 6, Vol. 11, no. 94, 2014.
