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摩擦…摩擦…能量损失大,合成“蛇皮”来解决

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科学大观园 2021-03-05 08:00
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研究人员将“合成皮肤”应用于一种弹性材料上,拼写出了单词“SLIP”。

phys.org网站当地时间3月3日报道,美国科罗拉多大学博尔德分校(UCB)的研究人员在《ACS应用材料与界面》杂志中发文公布了一种新型“人造皮肤”,这种材料像蛇的鳞片表面一样光滑。该成果有望解决工程中被低估的摩擦问题。

论文作者Yifu Ding教授指出,机器人、汽车等工具每天仅因部件摩擦,就会损失巨大的能量。为解决这一问题,研究小组决定从大自然中寻找线索,他们重点关注了那些“滑溜溜的”生物。

“蛇的身体非常柔软,它可以将自己扭曲成各种形状。”Ding教授说,“在必要的时候,它也可以快速移动,部分原因在于它的皮肤摩擦非常小。”

蛇皮近景。

在这项新研究中,Ding教授开发了一种固液界面聚合(SLIP)工具,这种工具能帮助他们在已有的弹性材料表面上,覆盖一层薄薄的合成皮肤。这种“蛇皮材料”可以让高摩擦表面变得非常光滑。蛇皮材料对于受困于摩擦,但又不能应用润湿降阻的机器来说,是巨大的福音。

Ding教授说:“软机器人或可穿戴传感器等新应用无法适应传统的液体润滑剂。工程师们只能从表面性质着手,通过改变其表面特性,降低摩擦力。”

显微镜下的“合成皮肤”。

不论是有条纹的束带蛇,还是亮绿色的蔓蛇,它们的低摩擦特性都与鳞片有关。如果在显微镜下观察鳞片结构,会发现它们由多层组织叠加而成。“最上面一层就像角蛋白,人类的指甲就是由角蛋白组成的。”Ding教授说,“最上层又脆又硬。自上而下,坚硬的鳞片逐渐向柔软组织过渡。”

这种“硬上软下”的组合,让蛇能够在保持较低摩擦力的同时维持柔韧性。这也是研究人员希望在实验室复制的特性。研究人员用SLIP技术,在常用弹性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)上覆盖了一层轻薄的、鳞片状合成材料。

Ding教授说:“这就像给基材套上了一双光滑的蛇皮靴子。”

研究人员对蛇皮材料的性能进行了一系列简单的实验。他们在蛇皮材料覆盖的PDMS和普通PDMS上加载了重物,然后放置在倾斜的表面上。结果表明,即使在轻微倾斜的坡上,前者也能滑动,而后者几乎纹丝不动。研究人员还发现,蛇皮材料表现出与多种陶瓷材料和金属材料相似的摩擦特性。

Ding教授说,SLIP技术足够灵活,能将蛇皮材料覆盖在任何形状上。不过,在将蛇皮材料真正应用于机器人关节之前,研究人员还有许多工作要做。

原创编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《应用材料与界面》

期刊编号:1944-8244

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

版权声明:本文为原创编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。转载请注明来源。

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