Mechanics of Gecko-Inspired Dry Adhesives  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128662
Type FK
Principal investigator Kossa, Attila
Title in Hungarian Gekkók által ihletett száraz ragasztók mechanikája
Title in English Mechanics of Gecko-Inspired Dry Adhesives
Keywords in Hungarian gekkó, adhézió, anyagmodellezés, végeselmes analízis
Keywords in English gecko, adhesion, constitutive modelling, finite element analysis
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)80 %
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Simulation engineering
Mathematics (Council of Physical Sciences)10 %
Ortelius classification: Applied mathematics
Panel Natural Sciences Committee Chairs
Department or equivalent Department of Applied Mechanics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Berezvai, Szabolcs
Horváth, András Levente
Magyar, Bálint
Starting date 2018-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 13.974
FTE (full time equivalent) 6.30
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás fő célkitűzése, hogy segítsen pontosan felderíteni a gekkók tapadási mechanizmusa mögött rejlő mechanikai jelenségeket. Cél a gekkók által ihletett száraz ragasztók tervezéséhez szükséges mechanikai jelenségek pontos leírása. A kutatás során választ igyekszünk keresni azon kérdésekre, melyek megválaszolása elengedhetetlen ahhoz, hogy utánozhassuk a mérnöki eszközeinkben a gekkók különleges képességét.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A főbb alapkérdések a kutatás során a következők: a) Miképpen tudnak a gekkók mászni egészen érdes felületeken kritikus környezeti viszonyok mellett is? b) Pontosan milyen mechanizmussal képesek a gekkók az erős tapadásukat viszonylag hamar megszüntetni? c) Milyen tapadási mechanizmus és lépések szükségesek a legjobb tapadás eléréséhez? d) Mi a szerepe a tapadásban a súrlódási viszonyoknak? e) Hogyan befolyásolják a tapadási erősséget az anyagparaméterek? f) Mi az optimális alak és elrendezés a mesterséges száraz ragasztók kialakításánál? g) Miképpen tudjuk vezérelni a stabilis és instabilis elengedési/tapadási folyamatokat?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A kutatási projekt során várt újszerű eredmények fő hasznosítási területe a mesterséges száraz ragasztók gyártásában és tervezésében jelentkezik. A kutatási eredményei hozzájárulhatnak a nagyobb adhéziós tulajdonságok eléréséhez. További alkalmazási területek: mechatronikai szerkezetek, robotika, sport, biomechanika. A vezető kutató tudomása szerint nincs nagyobb aktív projekt Magyarországon ami ezzel a kutatási témával foglalkozna. Külföldön viszont több kutatócsoport is aktívan foglalkozik a gekkók tapadási mechanizmusával. A vezető kutató megítélése azonban az, hogy a külföldi kutatások főként mérési eredményekre szorítkoznak. A numerikus számításokon alapuló vizsgálatok száma egyelőre limitált, viszont egyre több publikáció születik a különböző tapadási mechanizmusok végeselemes szimulációjában.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A gekkók tapadási mechanizmusa egészen különleges. Testsúlyukhoz képest nagyon erős tapadást tudnak előidézni anélkül, hogy bármiféle ragasztó-szerű anyagot használnának. Ennek a különleges tulajdonságnak a hátterében az szerepel, hogy a gekkók talpán nagyon vékony, apró szőrszál-szerű végződések találhatóak, melyek segítenek abban, hogy a felület barázdáiba befeküdjenek és kihasználják az atomok közötti vonzóerőt. Ezen összetett mechanizmus mesterséges utánzásával számos mérnöki/technológiai eszköz továbbfejleszthető. A kutatás során az elsődleges cél, hogy ennek a különleges tapadási mechanizmusnak a hátterében lévő mechanikai tulajdonságokat minél pontosabban leírjuk. A sikeres kutatás eredményei nagymértékben hozzájárulhatnak ahhoz, hogy minél jobban le tudjuk utánozni a mesterséges szerkezeteinkben ezt a különleges tulajdonságot.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The primary goal of the research is to help to properly understand the mechanics of the gecko’s adhesion and the related phenomena. The project tries to describe accurately the gecko adhesion in order to provide results, which can be used in manufacturing gecko-inspired dry adhesives. We are seeking to find answers to unsolved problems, which are necessary for mimicking the gecko’s extraordinary ability in engineering devices.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The primary questions at the beginning of the research are the followings: a) How can the gecko climb on unpredictable rough surfaces under harsh environmental conditions? b) What is the mechanism behind the easily releasable robust adhesion of the gecko locomotion? c) What are the proper steps in the mechanical program in attachment for the best adhesion? d) What is exactly the role of the friction in the adhesion mechanism? e) How do the material properties influence the adhesion strength? f) What is the optimal shape for artificial elastomer fiber arrays? g) How can we control the stable and unstable detachment?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The novel expected results listed in the project can be utilized in manufacturing artificial dry adhesives with higher adhesion performance. The new results can be used in different areas of engineering such as mechatronics, robotics, sports, biomechanics biomedicines, etc. Currently, there is no active research project focusing on this field in Hungary. However, the topic is very popular worldwide. There are several active researchers conducting successful research in this field. However, most of these projects are based on experimental observations. The number of scientific articles using numerical computational techniques are limited.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The adhesion of geckos is very special. They can apply very strong attachment in terms of their body weight. Furthermore, they do not use any glue for adhesion. This extraordinary skill is explained by the hairy structures lying on the bottom of gecko’s toe. This hairy structure is able to deform into the valley of the rough surfaces leading to atomic adhesion between the toe and the surface. Researchers try to reproduce this complicated mechanism in artificial structures to enhance the adhesive properties of technological devices. The primary goal in this research plan is to properly characterize the mechanics behind the gecko locomotion. The successful research would lead to novel results, which can be properly utilized in artificial dry adhesives to achieve higher performance in adhesion.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatási projekt azt célozta meg, hogy a gekkók különleges tapadási képességét minél jobban megértsük és az ipari alkalmazásokban is képesek legyünk olyan struktúrákat tervezni, melyek segítségvel erős adhéziós kapcsolatot érhetünk el. A kutatási munka magában foglalta kísérletek elvégzését, elméleti modellek megalkotását, numerikus szimulációk futtatását. A kutatási projekt része volt egy nemzetközi együttműködésnek, ahol a témában jártas kutatók alakítottak egy kutatói csoportot és rendszeresen tartottak megbeszéléseket. A kutatási projektben együttműködési szándékot írt alá egy világszinten ismert senior kutató a kalifornia egyetemről. A projekt során elvégzett elméleti és numerikus számítások eredményeinek felhasználásával új mesterséges struktúrák megtervezése és legyártása történt. A gyártást a németországi társkutatók végezték. Új végeselemes modelleket javasoltak a projektben szereplő kutatók, melyek segítségével pontosabbn lehet az adhéziós tapadás során jelentkező mechanikai jelenségeket vizsgálni, leírni és ennek köszönhetően hatékonyabb struktúrákat gyártani. Új anyagmodellezési elméletek és azokhoz kapcsolódó parameter-illesztési stratégiák javaslata történt viszkoelasztikus és viszkoplasztikus anyagok esetén. Az egyik kutató a projekt alatt szerezte meg a PhD fokozatát. A projekthez 11 folyóiratcikk és 8 konferencia előadás kapcsolódik. A kutatáshoz kapcsolódott számos BSc és MSc diplomamunka is.
Results in English
The research project aimed to understand more accurately the extraordinary adhesive properties of geckos and to design structures that can be used in industrial applications to achieve strong adhesion. The research work involved experiments, developing theoretical models and performing numerical simulations. The research project was part of an international collaboration where researchers with expertise in the field established a research group and held regular meetings. The research project included a letter of collaboration signed by a world-renowned senior researcher from the University of California. The results of theoretical and numerical calculations carried out during the project were used to design and fabricate new artificial fibrillar structures. The fabrication was carried out by collaborators in Germany. New finite element models have been proposed by the project researchers to better understand and describe the mechanical phenomena during adhesion and thus to produce more efficient fibrillar structures. New material modelling theories and related parameter-fitting strategies were proposed for viscoelastic and viscoplastic materials. One of the researchers obtained his PhD degree during the project. 11 scientific journal articles and 8 conference presentations are related to the project. Several BSc and MSc theses were also related to the research.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128662
Decision
Yes





 

List of publications

  
Marcela Areyano, Eric Valois, Ismael Carvajal Sanchez1, Ivan Rajkovic, William R. Wonderly, Attila Kossa, Robert M. McMeeking, Herbert Waite: Viscoelastic analysis of mussel threads reveals energy dissipative mechanisms, JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY INTERFACE 19: (188) 20210828, 2022
Kossa, A., Horváth, A. L.: Powerful calibration strategy for the two-layer viscoplastic model, Polymer Testing 99, July 2021, 107206., 2021
Tomin Márton, Kossa Attila, Berezvai Szabolcs, Kmetty Ákos: Investigating the impact behavior of wrestling mats via finite element simulation and falling weight impact tests, POLYMER TESTING 108: 107521, 2022
Kossa Attila, McMeeking Robert M.: The Effect of an Implanted Filter on Valsalva-Compression and Respiratory-Compression of the Inferior Vena Cava, JOURNAL OF ELASTICITY 145: (1-2) pp. 383-408., 2021
Berencsi Bence Ferenc, Kossa Attila: Analyzing the Effect of Temperature on Squash Ball Impacts Using High-Speed Camera Recordings, PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 65: (4) pp. 354-362., 2021
Attila Kossa: Adhesion of elastic punch to confined elastic layer, 36th Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics. 24–27 September 2019, Plzeň, Czech Republic, 2019
Attila Kossa: Development of viscoelastic-viscoplastic constitutive model for thermoplastics, 17th European Mechanics of Materials Conference (EMMC17). May 27 - 29, 2020, Madrid, Spain. Postponed due to COVID-19., 2020
Attila Kossa: Contact stress distributions of cupped fibrils during finite deformation attachment, 14th World Congress in Computational Mechanics (WCCM). ECCOMAS Congress 2020. 19 – 24 July 2020, Paris, France. Postponed due to COVID-19., 2020
Szabolcs Berezvai, Attila Kossa: Performance of a parallel viscoelastic-viscoplastic model for a microcellular thermoplastic foam on wide temperature range, Polymer Testing 84 (2020) 106395, 2020
Bence Szabó, Attila Kossa: Characterization of impacts of elastic-plastic spheres, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering, 64(2), 165–171.SJR=0.28 (2018) Q3, 2020
András Levente Horváth, Attila Kossa: Paraméterillesztő szoftver a „Two-Layer Viscoplastic” anyagmodellhez, Nemzetközi Gépészeti Konferencia – OGÉT. 28, (Apr. 2020), 145-148. ISSN 2668-9685, ISSN-L 2068-1267, 2020
Manar Samri, Attila Kossa, René hansel: Effect of subsurface microstructures on adhesion of highly confined elastic films, Journal of Applied Mechanics. Submitted. Under Review, 2020
René Hensel, Robert M McMeeking, Attila Kossa: Adhesion of a rigid punch to a confined elastic layer revisited, J ADHESION 95, 44-62., 2019
Manar Samri, Attila Kossa, René Hensel: Effect of subsurface microstructures on adhesion of highly confined elastic films, Journal of Applied Mechanics, Mar 2021, 88(3): 031009 (9 pages), 2021
Kossa, A., Horváth, A. L.: Powerful calibration strategy for the two-layer viscoplastic model, Polymer Testing 99, July 2021, 107206., 2021
Horváth A. L., Kossa A.: Efficient parameter fitting of the two-layer viscoplastic constitutive model, XXVII Conference on Computer Methods in Materials Technology (KomPlasTech), Online Event, Kraków, Poland, March 8-9, 2021., 2021
Heczko, J., Kottner, R., Kossa, A.: Rubber ageing at elevated temperature – model calibration, European Journal of Mechanics / A Solids 89, August–October 2021, 104320, 2021
Berencsi, B.F., Kossa, A.: Analyzing the effect of temperature on squash ball impacts using high-speed camera recordings, Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. Accepted.In Press., 2021
Kossa, A.: “Double-Network” hidrogélek mechanikai anyagmodellezése, Biomechanica Hungarica. Submitted. Under Review., 2021
Toth, G., Kossa, A.: Open-source ready-to-use software for high accuracy motion and deformation tracking, 37th International Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics (DAS), Linz, Austria, September 21-24, 2021., 2021
Kossa, A.: Selected topics in computational solid mechanics, IRG3 Seminar Talk, Materials Research Laboratory, University of California, Santa Barbara, CA, USA, January 12, 2021., 2021
Kossa, A.: Gekkók tapadásának titkáról röviden, Élet és Tudomány LXXV. évfolyam, 45. szám, 2020.11.06., 2020
Fülöp, S.: Analysis of Dry and Wet Detachment of Suction Cups Based on Experiments and Finite Element Simulations, MSc Thesis (Supervisor: Dr. Attila Kossa). BME Department of Applied Mechanics 2021, 2021
Kossa A., Berezvai S., Stepan G.: Mechanical characterization of high-speed rubber ball impacts applied for impulse excitation, MATERIALS TODAY: PROCEEDINGS 62: (5) pp. 2560-2565., 2022
Kossa Attila: “Double-Network” hidrogélek mechanikai anyagmodellezése, BIOMECHANICA HUNGARICA XIV: (2) pp. 42-52., 2021
Kossa Attila: Gekkók tapadását utánzó struktúrák tervezése végeselemes szimulációk segítségével, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK), Miskolc, Hungary, August 27-29, 2019. Identifier: 353., 2019
Kossa Attila: Gekkók tapadását utánzó struktúrák tervezése végeselemes szimulációk segítségével, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia (MAMEK), Miskolc, Hungary, August 27-29, 2019., 2019
Attila Kossa: Numerical simulation of adhesion and detachment of composite and funnel shaped fibrils, Workshop on Modeling Adhesion, Grip and Related Topics, University of California, Santa Barbara, CA, USA, October 30, 2018., 2018
Kossa Attila: Gekkók tapadását utánzó struktúrák tervezése Abaqus szimulációk segítségével, CAD-Terv Szakmai Konferencia 4.0, Budapest, Hungary, October 10, 2018., 2018
Kossa Attila: Gekkók tapadásának mechanikai modellezése, KÁTÉ (BME University Journal), 2019
René Hensel, Robert M McMeeking, Attila Kossa: Adhesion of a rigid punch to a confined elastic layer revisited, J ADHESION In Press: 1-31, 2018




 

Events of the project

  
2020-03-27 15:28:40
Résztvevők változása
2020-01-07 14:55:59
Résztvevők változása



Back »