摩擦…摩擦…能量損失大,合成“蛇皮”來解決

              2021-03-05 08:00:10 科學大觀園

              研究人員將“合成皮膚”應用于一種彈性材料上,拼寫出了單詞“SLIP”。

              phys.org網站當地時間3月3日報道,美國科羅拉多大學博爾德分校(UCB)的研究人員在《ACS應用材料與界面》雜志中發文公布了一種新型“人造皮膚”,這種材料像蛇的鱗片表面一樣光滑。該成果有望解決工程中被低估的摩擦問題。

              論文作者Yifu Ding教授指出,機器人、汽車等工具每天僅因部件摩擦,就會損失巨大的能量。為解決這一問題,研究小組決定從大自然中尋找線索,他們重點關注了那些“滑溜溜的”生物。

              “蛇的身體非常柔軟,它可以將自己扭曲成各種形狀?!盌ing教授說,“在必要的時候,它也可以快速移動,部分原因在于它的皮膚摩擦非常小?!?/p>

              蛇皮近景。

              在這項新研究中,Ding教授開發了一種固液界面聚合(SLIP)工具,這種工具能幫助他們在已有的彈性材料表面上,覆蓋一層薄薄的合成皮膚。這種“蛇皮材料”可以讓高摩擦表面變得非常光滑。蛇皮材料對于受困于摩擦,但又不能應用潤濕降阻的機器來說,是巨大的福音。

              Ding教授說:“軟機器人或可穿戴傳感器等新應用無法適應傳統的液體潤滑劑。工程師們只能從表面性質著手,通過改變其表面特性,降低摩擦力?!?/p>

              顯微鏡下的“合成皮膚”。

              不論是有條紋的束帶蛇,還是亮綠色的蔓蛇,它們的低摩擦特性都與鱗片有關。如果在顯微鏡下觀察鱗片結構,會發現它們由多層組織疊加而成?!白钌厦嬉粚泳拖窠堑鞍?,人類的指甲就是由角蛋白組成的?!盌ing教授說,“最上層又脆又硬。自上而下,堅硬的鱗片逐漸向柔軟組織過渡?!?/p>

              這種“硬上軟下”的組合,讓蛇能夠在保持較低摩擦力的同時維持柔韌性。這也是研究人員希望在實驗室復制的特性。研究人員用SLIP技術,在常用彈性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)上覆蓋了一層輕薄的、鱗片狀合成材料。

              Ding教授說:“這就像給基材套上了一雙光滑的蛇皮靴子?!?/p>

              研究人員對蛇皮材料的性能進行了一系列簡單的實驗。他們在蛇皮材料覆蓋的PDMS和普通PDMS上加載了重物,然后放置在傾斜的表面上。結果表明,即使在輕微傾斜的坡上,前者也能滑動,而后者幾乎紋絲不動。研究人員還發現,蛇皮材料表現出與多種陶瓷材料和金屬材料相似的摩擦特性。

              Ding教授說,SLIP技術足夠靈活,能將蛇皮材料覆蓋在任何形狀上。不過,在將蛇皮材料真正應用于機器人關節之前,研究人員還有許多工作要做。

              原創編譯:雷鑫宇 審稿:西莫 責編:陳之涵

              期刊來源:《應用材料與界面》

              期刊編號:1944-8244

              原文鏈接:
              https://phys.org/news/2021-03-snakeskin-friction-reducing-material.html

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