[논문]보 접착 모델을 이용한 게코 접착 시스템의 접착 메커니즘에 대한 연구

김원배; 조맹효

보 접착 모델을 이용한 게코 접착 시스템의 접착 메커니즘에 대한 연구
A Study of Adhesive Mechanism of Gecko Adhesion System using Adhesive Beam Contact Model 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.23 no.4, 2010년, pp.403 - 407

김원배 (서울대학교 기계항공공학부) , 조맹효 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
AI-Helper

게코 접착 시스템은 보(beam)의 형상을 가지는 seta와 접착패드 역할을 하는 spatula로 구성된다. 본 논문에서는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 사용하여 게코(gecko) 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 수행한다. 보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다. 접착패드 역할을 하는 spatula는 최대 인장응력을 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 접착력이 증가한다. 역방향 하중에 대해서는 spatula에 의하여 최대 압축 응력(compressive stress)이 감소하며, 이러한 현상에 의하여 접착력과 분리력의 비대칭성이 발생한다. 본 연구에서는 보 접착 모델의 해석을 위해 유한요소법(Finite Element Method)을 사용되며, spatula effect를 위한 해석 결과가 제시된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Gecko adhesion system consists of beam-shaped seta and spatula which has the role of adhesive pad. In this paper, adhesion mechanism of gecko adhesion system is performed by using adhesive beam contact model. this model has a feature of non-uniform stress profile on the contact surface and adhesion/detachment mechanism is determined by the tensile stress of the contact region. a spatula tip pad has the role of reduction of maximum tensile stress and adhesive force is increased due to this effect. As for a reverse loading case, maximum compressive stress drops by the spatula effect and this cause unsymmetric loading conditions between adhesion and detachment forces. In this study, finite element method is used for the analysis of adhesive beam contact model and the results for spatula effect are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 유한요소해석을 통하여 굽힘 모멘트에 의해 발행하는 seta 끝단에서의 불균일한 응력 분포를 제시하며, 이러한 불균일한 응력분포가 분리 메커니즘에 미치는 영향에 대한 결과를 제시한다. 또한 spatula 접착 패드에 의한 응력 분포의 변화를 통하여 spatula가 게코 접착 메커니즘에 미치는 영향을 제시한다.
본 논문에서는 게코 seta의 접착 메커니즘 해석을 위하여 전단력과 굽힘 모멘트의 영향를 고려하는 새로운 adhesive beam contact model을 제시한다. 그리고 유한요소해석을 통하여 굽힘 모멘트에 의해 발행하는 seta 끝단에서의 불균일한 응력 분포를 제시하며, 이러한 불균일한 응력분포가 분리 메커니즘에 미치는 영향에 대한 결과를 제시한다.
게코 접착 시스템은 보(beam)의 형상을 가지는 seta와 접착 패드 역할을 하는 spatula로 구성된다. 본 논문에서는 게코 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 위해 seta와 spatula로 구성되는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 제시하였다. 보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다.

가설 설정

Seta에 가해지는 하중은 그림 4(a)와 같이 friction force 형태로 가해지며, 본 연구에서는 0에서 10nN까지 힘을 20단계로 나누어 점차 증가시켜 가면서 해결 결과를 도출하였다. 변위 경계 조건으로 spatula의 접촉면은 아랫면에 완전하게 접착되어 있다는 가정 하에 접촉면의 노드는 수직방향과 수평방향 모두 고정하였다.

제안 방법

4를 사용하였다. Seta에 가해지는 하중은 그림 4(a)와 같이 friction force 형태로 가해지며, 본 연구에서는 0에서 10nN까지 힘을 20단계로 나누어 점차 증가시켜 가면서 해결 결과를 도출하였다. 변위 경계 조건으로 spatula의 접촉면은 아랫면에 완전하게 접착되어 있다는 가정 하에 접촉면의 노드는 수직방향과 수평방향 모두 고정하였다.
Spatula 접착 패드에 의한 영향을 알아보기 위해 spatula의 길이와 두께를 변화시켜 가면서 해석을 수행하였다. 먼저 spatula의 두께에 따른 영향을 살펴보기 위하여, spatula 의 길이를 100nm로 고정하고, 높이를 0에서 160nm까지 증가시켜가면서 접촉면에서의 응력분포를 관찰하였다.
Spatula의 길이 및 두께와 같은 기하학적 형상에 따른 영향을 알아보기 위해 spatula의 길이와 두께를 변화시켜 가면서 접촉면에서의 응력을 계산하였다.
먼저 spatula의 두께에 따른 영향을 살펴보기 위하여, spatula 의 길이를 100nm로 고정하고, 높이를 0에서 160nm까지 증가시켜가면서 접촉면에서의 응력분포를 관찰하였다. Spatula의 두께가 응접촉면에서의 응력분포에 미치는 영향을 알아보기 위해, 두께를 40nm로 고정하고 spatula의 길이를 0에서 80nm까지 증가시켜 가면서 접촉면에서의 응력을 계산하였다.
이러한 게코 접착 시스템의 주된 원인으로는 접촉면 사이에 발생하는 반데르발스(van der Waals) 힘으로 알려져 있고, 모세관(capillary) 현상에 의한 영향도 약간 받는 것으로 알려져 있다(Autumn, 2002; Hurber, 2005). 게코 접착력의 측정을 위해 Autumn은 micro-electomechanical system(MEMS) 센서를 이용하여 single seta의 에 걸리는 수직력과 수평력을 측정하였고, 약 30˚의 각도에서 분리(detachment)가 발생하는 현상을 측정하였다(Autumn, 2000).
본 논문에서는 게코 seta의 접착 메커니즘 해석을 위하여 전단력과 굽힘 모멘트의 영향를 고려하는 새로운 adhesive beam contact model을 제시한다. 그리고 유한요소해석을 통하여 굽힘 모멘트에 의해 발행하는 seta 끝단에서의 불균일한 응력 분포를 제시하며, 이러한 불균일한 응력분포가 분리 메커니즘에 미치는 영향에 대한 결과를 제시한다. 또한 spatula 접착 패드에 의한 응력 분포의 변화를 통하여 spatula가 게코 접착 메커니즘에 미치는 영향을 제시한다.
Spatula 접착 패드에 의한 영향을 알아보기 위해 spatula의 길이와 두께를 변화시켜 가면서 해석을 수행하였다. 먼저 spatula의 두께에 따른 영향을 살펴보기 위하여, spatula 의 길이를 100nm로 고정하고, 높이를 0에서 160nm까지 증가시켜가면서 접촉면에서의 응력분포를 관찰하였다. Spatula의 두께가 응접촉면에서의 응력분포에 미치는 영향을 알아보기 위해, 두께를 40nm로 고정하고 spatula의 길이를 0에서 80nm까지 증가시켜 가면서 접촉면에서의 응력을 계산하였다.
본 연구에 사용된 유한요소 해석에서는 seta의 길이와 두께를 각각 2μm와 0.1μm로 하였고, 접촉각 α는 90˚로 고정하였다.

대상 데이터

비선형 해석에는 Total Lagrangian을 사용하였고, 재료 비선형 재질로 neo-Hookean 재료를 사용하였다. 재료는 게코의 β-keratin과 유사한 재질인 PMM를 사용하였으며, 영율(Young’s modulus)과 포아송비(Poisson’s ratio)의 값으로 각각 2.
재료는 게코의 β-keratin과 유사한 재질인 PMM를 사용하였으며, 영율(Young’s modulus)과 포아송비(Poisson’s ratio)의 값으로 각각 2.4GPa과 0.4를 사용하였다.

이론/모형

Spatula 접착 패드가 seta의 접착력에 미치는 영향에 대한 해석을 위해 비선형 유한요소해석(Finite Element Analysis)을 사용하였다.
1μm로 하였고, 접촉각 α는 90˚로 고정하였다. 보 접촉 해석에는 약간의 정량적인 오차는 있지만 경향성을 조사하는데는 효율적이라 판단되어 3차원 해석모델 대신에 평면변형율(plane stain) 가정에 의한 2차원 모델을 사용하였다. Seta 모델에는 가로와 세로 방향으로 각각 8개와 80개의 4절점 요소가 사용되었으며, 640개의 4절점 요소와 729개의 노드로 구성되어 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ahhesive beam contact model은 어떤 특징을 가지는가?	본 논문에서는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 사용하여 게코(gecko) 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 수행한다. 보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다. 접착패드 역할을 하는 spatula는 최대 인장응력을 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 접착력이 증가한다.
	spatula는 어떤 능력을 감소시키는 역활을 하는가?	보 접착 모델은 접촉면에서 불균일한 응력 분포를 가지는 특징이 있으며, 접촉면에서의 최대 인장 응력(tensile stress)에 의하여 접착/분리 메커니즘이 결정된다. 접착패드 역할을 하는 spatula는 최대 인장응력을 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 접착력이 증가한다. 역방향 하중에 대해서는 spatula에 의하여 최대 압축 응력(compressive stress)이 감소하며, 이러한 현상에 의하여 접착력과 분리력의 비대칭성이 발생한다.
	게코 접착 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	게코 접착 시스템은 보(beam)의 형상을 가지는 seta와 접착패드 역할을 하는 spatula로 구성된다. 본 논문에서는 보 접착 모델(ahhesive beam contact model)을 사용하여 게코(gecko) 접착 시스템의 접착 메커니즘의 해석을 수행한다.

참고문헌 (13)

Arzt, E., Gorb., S., Spolenak, R. (2003) From Micro to Nano Contacts in Biological Attachment Devices, PNAS, 100(19), pp.10603-10606.

상세보기
Rizzo, N.W., Gardner,, K.H., Walls, D.J., Keiper- Hrynko, N.M., Ganzke, T.S., Hallahan, D.L. (2006) Characterization of the Structure and Composition of Gecko Adhesive Setae, J. R. Soc. Interf., 3, pp.441-451.

상세보기
Autumn, K., Majidi, C., Groff, R.E., Dittmore, A., Fearing, R. (2006) Effective Elastic Modulus of Isolated Gecko Setal Arrays, J. Exp. Biol., 209, pp.3558-3568.

상세보기
Autumn, K., Liang, Y.A., Hsieh, S.T., Zesh, W., Chan, W.P., Kenny, T.W., Fearing, R., Israelachvili, J., Full, R.J. (2000) Adhesive Force of a Single Gecko Foot-Hair, Nature, 405, pp.681-685.

상세보기
Autumn, K. Sitti, M., Liang, Y.A., Peattie, A.M., Hansen, W.R., Sponberg, S., Kenny, T.W., Fearing, R., Israelachivili, J.N., Full, R.J. (2002) Evidence for Van Der Waals Adhesion in Gecko Setae, PNAS, 99(19), pp.12252-12256.

상세보기
Huber, G., Mantz, H., Spolenak, R., Mecke, K., Jacobs, K., Gorb, S.N., Arzt, E. (2005) Evidence for Capillarity Contributions to Gecko Adhesion from Single Spatula Nanomechanical Measurements, PNAS, 102(45), pp.16293-16296.

상세보기
Ge, L., Sethi, S., Ci, L., Ajayan, P.M., Dhinojwala, A. (2007) Carbon Nanotube-Based Synthetic Gecko Tapes, PNAS, 104(26), pp.10792-10795.

상세보기
Qu, L., Dai, L., Stone, M., Xia, Z., Wang, Z.L. (2008) Carbon Nanotube Arrays with Strong Shear Binding-On and Easy Normal Lifting-Off, Science, 322, pp.238-242.

상세보기
Jeong, H.E., Lee, J.K., Kim, H.N., Moon, S.H., Suh, G.Y. (2009) A Nontransferring Dry Adhesive with Hierarchical Polymer Nanohairs, PNAS, 106(14), pp.5639-544.

상세보기
Jeong, H.E., Suh, K.Y. (2009) Nanohairs and Noaotubes: Efficient Structural Elements for Gecko- Inspired Artificial Dry Adhesives, Nano Today, 4, pp.335-346.

상세보기
Johnson, K.L., Kendall, K., Roberts, A.D. (1971) Surface Energy and the Contact of Elastic Solids, Proc. R. Soc. Lond. A 324, pp.301-313.

상세보기
Kendall, K. (1975) Thin-Film Peeling-The Elastic Term, J. Phys. D: Appl. Phys., 8, pp.1449-1452.

상세보기
Israelachivili, J.N. (1992) Intermodular and Surface Forces, Academic Press, New York, p.450.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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