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Come fanno i gechi a camminare sui muri?

Zampe del geco: meccanismo di adesione e nuove tecnologie

Se vi è già capitato di fermarvi ad osservare un geco, vi sarete sicuramente chiesti come faccia ad arrampicarsi così agevolmente praticamente su qualsiasi materiale. Non è raro infatti osservare uno di questi animali camminare su superfici molto lisce, come ad esempio il vetro, senza mai scivolare o perdere l’equilibrio. In molti pensano che tali straordinarie abilità adesive derivino da un sistema di efficienti ventose, simili a quelle dei polpi: in realtà, se si osserva la superficie inferiore delle zampe del geco, non si vede nulla del genere.

Allora come riesce il geco a rimanere incollato alle superfici, anche a testa in giù? La risposta è in una serie di lamelle molto sottili situate sotto alle dita, che riescono a garantire l’adesione sfruttando delle forze di attrazione su scala molecolare: le forze di van der Waals.

Analizziamo più nel dettaglio lo straordinario meccanismo di adesione che permette a questi animali di far presa su qualsiasi tipologia di materiale in pochi millisecondi e, ancor più importante, di distaccarsi altrettanto velocemente.

Caratteristiche e abilità

Il termine geco è utilizzato per indicare diverse specie di piccoli rettili squamati. In Italia, uno dei gechi più diffusi è Tarentola mauritanica, ma con geco si intendono anche moltissime altre specie appartenenti alla famiglia Gekkonidae[5].

I gechi sono in genere animali predatori, che si alimentano principalmente di insetti. La caratteristica comune più importante è però la loro incredibile capacità di adesione sulle superfici più diversificate indipendentemente dalla loro inclinazione. I gechi riescono infatti ad arrampicarsi agevolmente sia su superfici molto ruvide, come le cortecce degli alberi, che su superfici particolarmente lisce o levigate, anche se umide[4, 7]. Ciò che colpisce, inoltre, è l’agilità con la quale questi piccoli rettili riescono a correre, anche su sostegni verticali o a testa in giù, senza mai scivolare e con rischi di caduta davvero minimi.

Il segreto di queste eccezionali capacità è custodito in una peculiare morfologia delle zampe, ed in particolare delle dita. La loro superficie permette infatti ai gechi di aderire quasi istantaneamente a qualsiasi tipo di substrato, con una presa tale da sostenere agevolmente il loro intero peso corporeo (che in alcune specie asiatiche può raggiungere i 300g!). Inoltre, il sistema di adesione garantisce una presa duratura ma modulabile; ciascuna zampa può infatti, all’occorrenza, distaccarsi dal substrato in pochi millisecondi, permettendo ai gechi di correre senza problemi[2, 7].

Meccanismo di adesione delle zampe del geco

Come detto, il termine geco racchiude in sé centinaia di specie differenti e molto diversificate, sia dal punto di vista anatomico che ecologico. Tuttavia, il sistema di adesione è un caratteristica condivisa, comune a quasi tutte le specie esistenti.

Morfologia delle zampe del geco

Un geco è dotato di quattro zampe, ciascuna delle quali termina con una sorta di “mano” formata da cinque dita. Questa struttura custodisce il segreto delle straordinarie capacità adesive dei gechi. Sotto ciascun dito è infatti presente un sistema di estroflessioni molto sottili dette lamellae, lunghe 1-2 mm e ulteriormente suddivise in modo gerarchico (fig. 1). Si tratta di strutture flessibili, che si adattano alle asperità delle superfici con cui vengono in contatto.

Ciascuna lamella è formata da migliaia di piccoli filamenti detti setae, con una densità di circa 14000 unità per millimetro quadrato; esse sono spesse soltanto 5-10μm, ossia circa 10 volte più sottili di un capello umano. Ciascuna seta termina a sua volta ramificandosi in altrettante piccole appendici, dette spatulae; ogni spatula presenta un’area apicale leggermente più espansa, che è la vera responsabile dell’adesione alle superfici[2, 9].

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Fig. 1 – Sistema di adesione delle zampe di un geco. LA: lamella; ST: seta; SP: spatula; BR: ramificazione apicali delle setae. La scala in basso a destra è utile a comprendere il progressivo ingrandimento con cui sono state scattate le fotografie. (da [7, 9])
Nulla di simile, dunque, a ventose o ad altri sistemi di adesione più convenzionali. Ma da dove deriva la forza che mantiene il geco attaccato alle superfici?

Forze di Van der Waals

La particolare struttura gerarchica della superficie delle dita permette la formazione di una serie di deboli interazioni molecolari tra l’animale e il substrato a cui si ancora. Tali interazioni sono dette forze di Van der Waals[2, 7, 9]. Si tratta di deboli legami tra atomi di molecole diverse,  le quali si attraggono reciprocamente per una debole polarità legata alla natura delle loro nubi elettroniche. In altre parole, non parliamo di legami chimici forti come quelli che tengono uniti  l’idrogeno e  l’ossigeno a formare l’acqua, ma di una forza di attrazione più debole che si esercita fra atomi di molecole diverse quando queste sono molto vicine tra loro[3].

Sono proprio queste le interazioni che entrano in gioco quando la testa di una singola spatula viene a contatto con la superficie su cui il geco cammina: tra i singoli atomi delle molecole che compongono la spatula e quelli che costituiscono la superficie di appoggio si instaurano debolissime forze di Van der Waals. Naturalmente, siamo di fronte a interazioni di intensità minima, impercettibili se considerate isolatamente, ma che nel complesso possono fare la differenza. Nella zampa di un geco, infatti, sono presenti diverse decine di migliaia di spatulae, che aumentano notevolmente l’area di contatto con il substrato. Il risultato è una forza di adesione complessiva sorprendente, di circa 20N[2, 7]: questo vuol dire che, se volessimo staccare un geco da una superficie, dovremmo tirarlo con una forza pari circa a quella che ci servirebbe per sollevare una bottiglia d’acqua da 2l!

Un sistema davvero efficiente, ma i gechi non sono gli unici nel regno animale a poter contare su adesivi di questo tipo. Moltissimi insetti e aracnidi fanno infatti affidamento su meccanismi simili; tuttavia, le loro dimensioni sono certamente ridotte se paragonate a quelle di un piccolo rettile[2].

Versatilità ed efficienza del distacco

In aggiunta all’entità della forza di adesione che questo sistema è in grado di generare, occorre considerare anche la sua versatilità. Le zampe del geco sono infatti in grado di adattarsi alla superficie con cui sono in contatto, che sia questa particolarmente scabrosa o macroscopicamente liscia. Inoltre, essendo legate alla natura stessa degli atomi, le forze di Van der Waals sono sempre presenti; un geco è dunque in grado di aderire potenzialmente a qualsiasi substrato di origine naturale. Alcuni esperimenti mostrano addirittura la capacità delle zampe dei gechi di aderire perfino sott’acqua[4].

Nessun problema, dunque, a rimanere attaccati. Ma per il distacco? Il sistema deve presentare una forma di controllo della forza, in modo da ridurla notevolmente all’occorrenza e permettere un rapido sollevamento delle zampe. Esperimenti di laboratorio dimostrano che le singole dita di un geco riescono ad aderire efficacemente alle superfici anche se separate dal corpo dell’animale stesso. La forza di adesione è però minore. Questo effetto deriva da un controllo attivo dell’orientamento delle setae, reso possibile da una muscolatura presente nelle lamellae, alla base delle setae stesse. Il geco dispone le proprie setae in modo da massimizzare la forza di adesione, orientando le spatulae con la giusta angolazione rispetto al substrato. Allo stesso modo, modificando tale angolo, l’animale può affievolire di molto le singole forze attrattive, permettendo il distacco della zampa dalla superficie[7].

Il distacco delle zampe del geco, che avviene in pochi millisecondi, è quindi innescato da una modifica dell’orientamento delle singole setae verso una conformazione che limita le forze attrattive. Una volta ridotta l’adesione, il geco procede a sollevare la zampa, con un movimento che parte dalle estremità e procede verso il palmo di ogni singola “mano”. Il movimento prevede il sollevamento iniziale degli apici delle dita, che costituiscono le zone maggiormente adesive.

In caso di stress o di perdita di equilibrio, gli apici sono immediatamente riportati a contatto con il substrato, per tornare ad ancorarsi in modo saldo e sicuro[6, 9].

Zampe del geco e nuove tecnologie

Come spesso accade, l’uomo ha tentato di prendere in prestito questa tecnologia delle zampe del geco cercando di riprodurla artificialmente. Studi morfologici approfonditi su questi piccoli rettili hanno portato allo sviluppo di adesivi molto potenti e versatili, impiegati in diversi ambiti.

Materiali ispirati alle zampe del geco sono impiegati, ad esempio, per la progettazione di pinze installate su robot di vario tipo. Si tratta di elementi realizzati con un adesivo flessibile ma potente che incrementa notevolmente le capacità di maneggiare oggetti, soprattutto se questi si presentano particolarmente fragili o di forma irregolare.  Inoltre, queste pinze sono in grado di prelevare oggetti con facilità e di rilasciarli altrettanto facilmente. Accoppiando adesivi di questo tipo con sistemi elettrostatici è possibile sviluppare pinze maggiormente performanti su una gamma di materiali ancora più vasta[1].

Adesivi basati su una serie di setole flessibili organizzate gerarchicamente sono impiegati anche per la realizzazione di prototipi robotici in grado di arrampicarsi su superfici varie. Si tratta in effetti di mini robot ispirati ai gechi stessi, che possono essere utili per esplorare zone remote, irraggiungibili per una persona, o per effettuare riparazioni scomode[6].

In ultimo, sono in fase di studio prototipi di cuscinetti in grado di permettere ad un uomo di arrampicarsi anche in assenza di sostegni. Spiderman? Ancora ben lontani, ma i primi test sono interessanti. Un uomo di 70 kg è riuscito ad arrampicarsi per qualche metro sulle vetrate di un palazzo[8].

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Conclusione

La morfologia delle proprie zampe permette ai gechi di muoversi con facilità e agilità, anche a grandi velocità, su superfici diversificate ed in diverse condizioni. Il sistema adesivo è potente, versatile e modulabile[4]. Affascinato da queste straordinarie caratteristiche, l’uomo ha preso in prestito la tecnologia dei gechi per realizzare adesivi efficaci su diverse tipologie di superfici. Si tratta principalmente di prototipi, ma in grado di contribuire enormemente agli sviluppi tecnologici futuri, soprattutto nel campo della robotica.

Referenze

  1. Alizadehyazdi, V., Bonthron, M., Spenko, M. (2020). “An Electrostatic/Gecko-Inspired Adhesives Soft Robotic Gripper.” IEEE Robotics and Automation Letters 5, 4679–4686;
  2. Bhushan, B. (2007). “Adhesion of multi-level hierarchical attachment systems in gecko feet.Journal of Adhesion Science and Technology 21, 1213–1258;
  3. Forze di Van der WaalsEnciclopedia della Scienza e della Tecnica (Treccani);
  4. Garner, A.M., et al. (2020). “Digital hyperextension has no influence on the active self-drying of gecko adhesive subdigital pads.Journal of Experimental Zoology Part A: Ecological and Integrative Physiology 333, 118–125.
  5. GecoEnciclopedia Treccani;
  6. Guo, C., et al. (2009). “Divisional and hierarchical innervations of G. gecko’s toes to motion and reception.Chinese Science Bulletin 54, 2880–2887.
  7. Guo, C., et al. (2012). “Biomechanism of adhesion in gecko setae.Science China – Life Sciences 55, 181–187.
  8. Hawkes, E.W., Eason, E.V., Christensen, D.L., Cutkosky, M.R. (2015). “Human climbing with efficiently scaled gecko-inspired dry adhesives.Journal of The Royal Society Interface 12, 20140675.
  9. Yao, H., Gao, H., 2007. “Mechanical principles of robust and releasable adhesion of gecko.Journal of Adhesion Science and Technology 21, 1185–1212.

Immagine di copertina da: Geckskin.

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