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科罗拉多大学以蛇皮为灵感 开发低摩擦材料

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58京牌 ,由科罗拉多大学(CU Boulder)研究人员领导的团队设计了一种新型合成“皮肤”,像蛇的鳞片一样光滑。这项研究解决了工程学中一个未被充分认识的问题——摩擦力。

一种新合成“皮肤”应用于弹性材料,拼写出“ SLIP”一词。(图片来源:科罗拉多大学)

研究人员Yifu Ding表示,因为部件摩擦,很多机器会损失大量能量,比如汽车和机器人。为了减少这种损失,他们从大自然那里得到了启示。“蛇的身体足够柔软,可以扭曲成各种形状。如果需要的话,也可以非常快地移动,部分原因在于其皮肤摩擦力很小。”

在最新研究中,研究人员开发了一种名为固液界面聚合(SLIP)的工具,可以在橡胶或弹性材料等现有表面上铺设一层薄薄的皮肤,看起来很像蛇的鳞片,使原本发粘的表面变得很滑。

在很多新工程应用中,比如软机器人或可穿戴传感器,不能使用传统的液体润滑剂,相反,必须调整表面本身。这项技术可能会给那些既需要克服摩擦又需要防潮的机器带来福音。

 

上图:近距离观察蛇鳞;下图:在显微镜下看到受蛇皮启发而合成的“皮肤”

将蛇的鳞片放在显微镜下,可以看到它们由很多层组织堆叠在一起而构成。顶层就像很脆很硬的角蛋白,我们的指甲也是由这种物质构成;然后,鳞片会逐渐过渡到下面一种柔软得多的材料。这种软硬结合的结构,有助于在提供柔韧性的同时保持较低的摩擦力,这也是研究人员想要在实验室复制的特性。

该团队先利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成底层,这是一种弹性材料。然后,通过SLIP技术,在底层上再铺设一层薄薄的、鳞片状合成材料。这种方法的工作原理是将小分子混合到一层液体薄膜中,并利用光线让它们从悬浮液中掉出来,这有点像豌豆沉到一碗汤的底部。然后,那些构建块就会渗入PDMS中,形成混合的皮肤层,产生相当于蛇皮靴的实验效果。Ding表示:“你摸它的时候,手指就会滑落。”

研究团队进行了一系列看似简单的测试。在混合PDMS和普通PDMS上加重,然后把它们放在各种倾斜的表面上。结果显示,即使在轻微的倾斜角度下,该团队的蛇皮式处理PDMS也会下滑,而普通材料则丝毫未动。研究人员Mengyuan Wang表示:“PDMS真的很粘,即使你把它完全倒过来,它仍然会粘在表面上。”

这种类似蛇皮的材料,与许多陶瓷材料和光滑的金属具有相似的摩擦力。该团队表示,SLIP方法具有足够的灵活性,可以以任何形式铺设皮肤,包括拼写单词的形状。但是,在进行实际应用之前,还有很多工作要做。

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