Amerikaanse groene boomkikker Hyla cinerea. Foto: Shutterstock Boomkikkers houden wetenschappers over de hele wereld al geruime tijd bezig. Hoe kan het toch dat die beestjes met hun natte voeten schijnbaar moeiteloos klimmen. Wat veroorzaakt de hechtingskracht die ze in staat stelt op natte oppervlakken zelfs ondersteboven te hangen? En vooral: hoe kunnen wij mensen die principes in ons voordeel gebruiken?
Onderhuids
De Duitse onderzoeker Julian Langowski (Experimentele Zoölogie) heeft een flinke tip van de sluier opgelicht. Hij promoveerde afgelopen week op een proefschrift met de fraaie titel: Getting a grip on tree frog attachment. Hij concentreerde zich vooral op de onderhuidse structuren van de aanhechtingskussentjes van de kikkers. Dat was nog grotendeels terra incognita. Maar juist die interne structuur maakt volgens Langowski veel duidelijk over hoe de kikkers zo goed kunnen kleven.
De morfologie van de voet wijst op een grote rol voor Van der Waalskrachten
Julian Langowski
‘Het oppervlak van de kussens is natuurlijk belangrijk, want daar vindt de hechting aan de ondergrond plaats’, zegt Langowski. ‘Maar het gaat er ook om hoe dat oppervlak met de rest van het dier is verbonden. De interne mechanica is een belangrijk onderdeel van de hechting.’ Met behulp van klassieke histologische technieken (weefselkleuring) en moderne computertomografie brachten Langowski en zijn collega’s die interne structuur van de plakkende kikkervingers 3D in kaart.
Bindweefsel
Cruciaal is een laag bindweefsel dat de opperhuid van de kussens verbindt met de skeletstructuur in de vingers van de kikker. Het bindweefsel blijkt daarbij zo georiënteerd dat het de kussentjes helpt de wrijvingskrachten op te vangen, die op een verticaal hangende kikker worden uitgeoefend. Dat is volgens Langowski aan belangrijke aanwijzing voor het hechtingsmechanisme.
De huid van boomkikkers is bedekt met slijm. De plakkracht van de kikkervoeten werd tot dusver vooral toegeschreven aan natte adhesie, waarbij capillaire werking een belangrijke rol speelt. De structuur van de hechtkussentjes geven daar op het eerste gezicht ook alle aanleiding toe. De kussentjes bestaan uit een patroon van kleine zeshoekige pilaartjes (10 micrometer doorsnee), die op hun beurt op zijn bezet met pilaartjes op nanoschaal (0,3 micrometer).
Van der Waalskrachten
De met slijm gevulde ruimtes tussen de pilaartjes zorgen voor een capillaire werking en dus hechting. Maar die capillaire krachten werken alleen loodrecht op het oppervlak. Hoe rijmt dat met het onderhuidse collageen dat juist de verticale krachten ondersteunt evenwijdig aan het oppervlak? Dat rijmt niet, denkt Langowski. Maar Van der Waalskrachten, zwakke elektromagnetische krachten tussen atomen of moleculen die zijn vernoemd naar de Nederlandse Nobelprijswinnaar Diederik van der Waals, verklaren de vorm van het collageen wel.
Langowski: ‘Ik zeg niet dat die natte adhesie geen rol speelt, maar de morfologie van de voet wijst op een grote rol voor Van der Waalskrachten.’ In die visie zorgen de pilaartjes voor een drainage-structuur. ‘Bij het neerzetten van de voet wordt die slijmlaag weggedrukt in de kanaaltjes tussen de pilaren, zodat een zo nauw mogelijk contact met de ondergrond mogelijk is. Van der Waalskrachten werken op kleine (< 5-10 nanometer) afstand. Zulke kleine afstanden zijn elders gemeten tussen kikkervoeten en de ondergrond.’
Gladde spiervezels
Tijdens zijn onderzoek deed Langowski nog een belangrijke ontdekking. ‘De voetkussens bevatten gladde spiervezels. Dat is voor zover ik weet uniek voor plakkende dieren. Er is dus een actief element waarmee de dieren hun hechting kunnen manipuleren. We weten nog niet hoe dat werkt, maar boomkikkers kunnen mogelijk de verdeling van de stress over het contactoppervlak manipuleren.’
Je hebt niks aan een grote hechtingskracht als de onderliggende structuur die krachten niet aan kan
Julian Langowski
Langowski’s resultaten leiden mogelijk wel tot nieuwe ontwerpprincipes voor biomimetische kleefstoffen en grijpers. De studie naar boomkikkervoeten en biologische grijpsystemen moeten uiteindelijk leiden tot instrumentenwaarmee in natte omgevingen kwetsbare objecten opgepakt kunnen worden. Instrumenten voor chirurgen bijvoorbeeld of grijparmen van plukrobots in de fruit- en groenteteelt.
Plukrobots
‘In deze contekst is de structuur van het oppervlak van belang’, zegt Langowski. ‘We moeten de vraag beantwoorden welk patroon aan het oppervlak de beste grip geeft. Mijn werk laat daarnaast zien dat de interne structuur van het materiaal cruciaal is. Ik verwacht dat in de toekomst interne, door vezels versterkte kleefstoffen steeds belangrijker gaan worden. Je hebt niks aan een grote hechtingskracht als de onderliggende structuur die krachten niet aan kan.’