蛇皮启发了新型的减少摩擦的材料

  由CU Boulder领导的研究小组设计了一种新型的合成“皮肤”,它像蛇的鳞片一样滑。

  这项研究最近发表在美国化学学会的《应用材料与界面》杂志上,解决了工程学中一个未被充分认识的问题:摩擦。

蛇皮启发了新型的减少摩擦的材料

  这篇新论文的资深作者丁一夫解释说,每天,从机器人到汽车的机器都因为它们的零件摩擦在一起而损失大量能量。为了减少损失,他和他的同事们从自然界中汲取了线索,特别是自然界中最狡猾的成员。

  保罗·雷迪(Paul M. Rady)机械工程学系教授丁(Ding)说:“蛇的身体足够柔软,可以扭曲成各种形状。” “如果需要的话,它也可以移动得非常快,部分原因是它的皮肤摩擦力很低。”

  在他们的最新研究中,研究人员开发了一种称为固液界面聚合(SLIP)的工具,该工具可使他们在现有表面(例如橡胶或称为弹性体的弹性材料)上铺设一层薄薄的皮肤。该层看起来很像蛇的鳞片,可以将原本发粘的表面变成滑倒的危险。

  这项技术对于那些抵制摩擦但不能忍受弄湿的机器来说是一个福音。

  丁说:“有许多新的工程应用程序,例如软机器人或可穿戴传感器,在这些应用程序中,您不能使用这些传统的液体润滑剂。” “相反,您必须修改表面本身。”

  多亏了经常受到仇恨的蛇,现在这才有可能。

  规模是多少?

  蛇,从条纹的吊袜带蛇到鲜绿色的藤蔓蛇,都得益于鳞片的成功。如果将这些小结构之一放在显微镜下,您会注意到它们是由许多彼此叠置的组织组成的。

  丁说:“顶层就像角蛋白一样,我们的指甲是由什么制成的。” “它非常脆而僵硬。然后水垢逐渐过渡到下面的一种柔软得多的材料。”

  从硬到软的组合使蛇具有优势,帮助它们在保持柔韧性的同时保持较低的摩擦力。这也是Ding和他的同事想要在实验室中复制的功能。

  该小组以聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的基材开始,PDMS是许多医疗技术中常见的弹性材料。然后,研究人员使用SLIP技术在该基础上放置了一层薄的鳞片状合成材料层。

  丁解释说,这种方法的工作原理是将小分子混合到液体膜中,然后利用光使它们脱离悬浮液-有点像豌豆下沉到一碗汤的底部。一旦到达那里,这些构造块就会渗透到PDMS中,并形成一个混合表皮层。

  这在实验室中相当于蛇皮靴。

  丁说:“什么都不会坚持下去。” “您可以触摸它,并且手指会滑动。”

  滑动和滑动

  为了证明他们的发明有多像蛇,他和他的同事们-包括最近获得博士学位的孟梦媛(Mengyuan Wang)。来自CU Boulder的软件-运行了一系列看似简单的测试。该小组将砝码附加到混合PDMS和普通PDMS上,然后将它们放在各种倾斜的表面上。

  王说,车队用蛇皮处理过的PDMS滑行甚至略有倾斜,而普通材料却没有退缩。

  Wang说:“ PDMS确实很粘。” “即使将其完全翻转过来,它仍然会粘在表面上。”

  研究小组发现,该团队的蛇皮与许多陶瓷材料和有光泽的金属具有相似的摩擦力。Ding补充说,SLIP方法非常灵活,它可以以任何模式(包括拼出单词的形状)将皮肤平放下来。

  在开始将光滑的表面应用于真实的机器人关节之前,该小组尚需进行大量工作。但是,这项研究还是感谢一条友好蛇的另一个原因。

  丁说:“当我们设计新材料时,我们并不总是知道要制造什么样的结构。” “但是如果本质上有一个例子,已经证明它可以工作,那么我们就可以模仿它。”

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