BIOMIMETICA

Anales de Mecánica de la Fractura 25, Vol. 1 (2008)

COMPORTAMIENTO COHESIVO MULTIESCALA EN FENÓMENOS DE BIOADHESIÓN PARA
MATERIALES CON ESTRUCTURA JERÁRQUICA
J.C. Suárez1, M.A. Herreros1, P. Pinilla1, F. López1, S. Miguel1
1

Grupo de Investigación en Materiales Híbridos, Universidad Politécnica de Madrid
ETS Ingenieros Navales, Avda. Arco de la Victoria, s/n, 28040 Madrid
E-mail:juancarlos.suarez@upm.es
RESUMEN

Los mecanismos de adhesión empleados por la naturaleza son diversos. Sin embargo, una característica común a todos
ellos es la aparente capacidad de los sistemas biológicos para ser insensibles a la presencia de grietas (zonas
despegadas) que pudieran mermar su capacidad resistente. Esta tolerancia está relacionada con la estructura jerárquica
que se observa enestos materiales y que supone la organización en distintos niveles (nano, micro, meso y
macroscópico) interconectados entre sí. Se presenta un modelo de las estructuras biológicas de los dedos de un cierto
tipo de lagarto, el gecko, y cómo a partir de su estructura jerárquica se desarrollan leyes de comportamiento cohesivo
multiescala, permitiendo que la adhesión conseguida sea insensible a lapresencia de grietas interfaciales en todas las
escalas de interés. El resultado final es un mecanismo de bioadhesión altamente eficiente, de carácter reversible, que
permite al gecko correr por los techos, en superficies húmedas o secas, rugosas o lisas, y ser capaz de soportar fuerzas
muy elevadas sin despegarse del substrato.
ABSTRACT
There are quite a few adhesion mechanisms in nature. Aprevailing feature is that all of them can operate robustly in the
presence of crack-like flaws. Flaw tolerance is linked to the hierarchy observed in many biological systems, and
precisely to the organization in several levels (nano, micro, meso and macroscopic) of the structural materials. An
idealized, self-similar model, mimicking gecko’s attachment system is presented, to demonstrate thatstructural
hierarchy leads to multi-scale cohesive laws which can be designed to enable flaw tolerance at every length scale. Final
outcome is a bioadhesion mechanism highly reliable, releasable, that is responsible of the extraordinary ability of gecko
to climb on vertical walls and ceilings, wet or dry, smooth or rough surfaces, and sustain load without failure.

PALABRAS CLAVE: Bioadhesión,Estructura Jerárquica, Leyes Cohesivas Multiescala.
geometría del contacto [5]. Por debajo de ≈100 nm de
diámetro las fibras son insensible a la geometría del
contacto y desarrollan su máxima resistencia adhesiva,
marcada por la naturaleza de las fuerzas de van der
Waals que se ponen en juego. Sin embargo, estas
fuerzas son de muy corto alcance (≈0,5 nm), de manera
que una pequeñísimaseparación entre la fibra y el
substrato supondría el fallo de la unión adhesiva. No es
esto lo que se observa en el mecanismo de adhesión del
gecko, que se muestra capaz de soportar tracciones de
valor considerable sin que se produzca el fallo de la
unión.

1. INTRODUCCIÓN
En la naturaleza, la organización jerárquica de las
estructuras biológicas es una característica recurrente en
muchossistemas, incluyendo los huesos y las
almohadillas adhesivas de las extremidades de los
geckos [1]. La extraordinaria habilidad de los geckos
para desplazarse por paredes verticales y techos sugiere
que los mecanismos de adhesión involucrados son
capaces de funcionar en presencia de grietas
interfaciales [2].
Las estructuras jerárquicas responsables de la adhesión
del Gekko gecko semuestran en la Figura 1. Un dedo de
gecko contiene cientos de miles de fibras (setae) y cada
una de ellas se ramifica cerca del extremo en cientos de
fibrillas (spatulae) [3]. Cada una de las terminaciones se
adhiere al substrato mediante la acción de fuerzas de
van der Waals[4]. La resistencia de la unión adhesiva se
ve afectada no sólo por el tamaño de las fibrillas, sino
también por la forma...