Подводное сцепление с мягкими поверхностями является одной из самых сложных и одновременно востребованных задач в современных технологиях. Множество отраслей, таких как медицина, производство, робототехника и морские исследования, нуждаются в надёжных решениях, способных обеспечить длительную адгезию в условиях повышенной влажности, переменного кислотно-щелочного баланса и динамичных изменений параметров поверхности. Недавние достижения в области механических подводных клеящих устройств открывают новые возможности, предлагая устойчивое и универсальное решение проблемы. Одним из самых ярких источников вдохновения для создания таких устройств стали реморы — рыбы, обладающие уникальным присосочным диском, позволяющим им прочно прикрепляться к различным морским обитателям и даже к подводным структурам. Исследования анатомии и поведения ремор с учётом их приспособленности к разнообразным мягким субстратам стали основой для биомиметических разработок, в частности для создания системы MUSAS (Mechanical Underwater Soft Adhesion System).
Уникальная конструкция присосочного диска ремор основана на множестве независимых компонентов — пластинчатых ламелл, покрытых мелкими шиповатыми структурами, которые обеспечивают механическое сцепление и многокамерное вакуумное прилегание. Это позволяет реморе эффективно адаптироваться к оформившейся, мягкой и пористой поверхности, обеспечивая высокую силу сцепления при минимальном весе устройства. Особенности ориентации ламелл и способ их раскрытия позволяют реморе эффективно удерживаться даже на динамично изменяющихся и морфирующих тканях. Разработка MUSAS — это воплощение этих принципов. Миниатюрная капсула, обладающая свойствами пассивной самокрепящейся системы, использует направленное механическое вмешательство, активируемое природными движениями, например сокращениями желудочно-кишечного тракта.
Стальная основа с эластомерными и температурно активируемыми элементами из сплава памяти формы (нитинола) позволяет устройству расширяться и крепко фиксироваться на разнообразных мягких субстратах, невзирая на их неоднородность, рыхлость и меняющиеся условия влажности и кислотности. Тесты показывают, что MUSAS превосходит современные полимерные клеи по прочности адгезии и устойчивости. Особенно это актуально для поверхностей с экстремальными или меняющимися параметрами, например желудочная слизистая, которая обновляется каждые несколько дней. При этом устройство не требует внешнего источника энергии — его активация происходит за счёт естественных физиологических движений, что снижает необходимость в электронике или дополнительном оборудовании. Механизм действия устройства опирается на мультикомпартментальный эффект: каждая из камер присасывающего диска создаёт независимый вакуум, что обеспечивает суммарную высокую силу сцепления и позволяет компенсировать локальные нарушения адгезии.
Адаптивные ламеллы обеспечивают эффективную герметизацию и цепляние, предотвращая соскальзывание и удерживая устройство в желаемом положении. Применение таких технологий в медицине открывает новые перспективы. Например, разработаны системы для длительного удержания датчиков температуры и других сенсоров внутри желудка или пищевода, что позволит проводить длительный мониторинг состояний, таких как гастроэзофагеальный рефлюкс или другие заболевания, без необходимости имплантации или инвазивных процедур. Компактность и биосовместимость устройств обеспечивает комфорт и безопасность пациентов. Помимо мониторинга, технология MUSAS эффективна для целенаправленной доставки лекарственных препаратов.
Например, благодаря длительной фиксации в желудке стали возможны препараты пролонгированного действия, такие как каботегравир для профилактики ВИЧ, что значительно повышает комплаенс у пациентов и снижает частоту приёма лекарств. Биодеградация компонентов устройства позволяет контролировать время удержания и безопасное выведение из организма без хирургического вмешательства. Важным достижением стало использование устройства для доставки мРНК-терапии через слизистые поверхности желудочно-кишечного тракта, что представляет собой значительный шаг вперёд в области неинвазивных генетических и иммунотерапевтических подходов. Функция микроножей в ламеллах позволяет эффективно проникать через липкий мукозный барьер, улучшая проникновение и усвоение лекарственных молекул. В дополнение к медицинским приложениям MUSAS и аналогичные системы могут быть использованы в подводных робототехнических комплексах, где требуется надёжное сцепление с мягкими и подвижными поверхностями корпуса или морской флоры и фауны.
Это значительно расширяет возможности автономных роботов для выполнения исследований и технических работ в подводной среде. Помимо практических аспектов, технология MUSAS открывает путь к дальнейшему развитию теоретических моделей мягкой биомеханической адгезии. Сочетание мультикомпартментального вакуума с механическим сцеплением создаёт уникальную платформу для новых исследований по гидродинамике, механике мягких материалов и взаимодействиям с движущимися субстратами. Источники вдохновения в природе, такие как реморы, демонстрируют, что эволюционная оптимизация может служить образцом для создания передовых инженерных решений. MUSAS является ярким примером синтеза биологических принципов и современных материаловедческих технологий.
Прогресс в области мягкой робототехники также дополняет развитие таких устройств: интеграция биосовместимых эластомеров, применение сплавов с эффектом памяти формы и использование микро- и наноструктур для повышения сцепления способствует расширению функционала и долговечности таких систем. Несмотря на высокие достижения, есть перспективы для дальнейшего улучшения. Использование полимеров, имитирующих слизь ремор и их хозяев, может повысить качество гидроизоляции и укрепить герметичность сцепления. Разработка новых покрытий с антифоулинг свойствами устранит биозагрязнения и повысит срок службы устройств. Доработка мелких структур поверхностей может улучшить удержание даже на более сложных и гетерогенных субстратах.
