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科羅拉多大學以蛇皮為靈感 開發低摩擦材料

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時間:1900/1/1 0:00:00

據國外媒體報道,由科羅拉多大學(CU Boulder)研究人員領導的一個團隊設計了一種新的合成“皮膚”,它像蛇的鱗片一樣光滑。這項研究解決了一個工程上尚未完全理解的問題——摩擦。

一種新的合成“皮膚”被應用到彈性材料上,并拼寫出“SLIP”一詞。(來源:科羅拉多大學)

丁一夫研究員表示,很多機器,比如汽車、機器人,都會因為零部件的摩擦而損失大量的能量。為了減少這種損失,他們從大自然中獲得了靈感。“蛇的身體很柔軟,可以扭曲成各種形狀。如果有必要,它也可以非常快速地移動,部分原因是它的皮膚摩擦力非常小。”

在最新的研究中,研究人員開發了一種叫做固液界面聚合(SLIP)的工具,它可以在橡膠或彈性材料等現有表面上鋪設一層薄薄的皮膚,看起來像蛇鱗,使原本粘稠的表面變得非常光滑。

在許多新的工程應用中,如軟機器人或可穿戴傳感器,傳統的液體潤滑劑無法使用。相反,表面本身必須調整。這項技術可能會給需要克服摩擦和潮濕的機器帶來好消息。

上圖:近距離觀察蛇鱗;下圖:顯微鏡下看到的以蛇皮為靈感的“皮膚”。

把蛇的鱗片放在顯微鏡下,我們可以看到它們是由許多層組織堆疊在一起組成的。最上層就像是非常脆硬的角蛋白,我們的指甲也是由這種物質構成的;然后,鱗片會逐漸過渡到下面柔軟得多的材質。這種軟硬結構的結合有助于在保持低摩擦的同時提供靈活性,這也是研究人員希望在實驗室中復制的特性。

該團隊首先使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作底層,這是一種彈性材料。然后,通過滑移技術在底層上鋪設一層薄的鱗片狀合成材料。這種方法的工作原理是將小分子混合成液膜,利用光使其從懸浮液中析出,有點像豌豆沉入一碗湯的底部。然后,那些積木會滲透到PDMS,形成混合皮層,產生相當于蛇皮靴子的實驗效果。丁說:“一摸,手指就滑。”

研究小組進行了一系列看似簡單的測試。給混合的PDMS和普通PDMS增加重量,然后把它們放在不同的斜面上。結果顯示,即使在輕微的傾斜角度下,該團隊的蛇皮處理的PDMS也會下降,而普通材料則完全不會移動。研究員王夢媛說:“PDMS真的很粘。即使你把它倒過來,它仍然會粘在表面上。”

這種類似蛇皮的材料與許多陶瓷材料和光滑金屬的摩擦相似。該團隊表示,SLIP方法足夠靈活,可以以任何形式鋪設皮膚,包括拼寫單詞的形狀。但是,在實際應用之前還有很多工作要做。據國外媒體報道,由科羅拉多大學(CU Boulder)研究人員領導的一個團隊設計了一種新的合成“皮膚”,它像蛇的鱗片一樣光滑。這項研究解決了一個工程上尚未完全理解的問題——摩擦。

一種新的合成“皮膚”被應用到彈性材料上,并拼寫出“SLIP”一詞。(來源:科羅拉多大學)

丁一夫研究員表示,很多機器,比如汽車、機器人,都會因為零部件的摩擦而損失大量的能量。為了減少這種損失,他們從大自然中獲得了靈感。“蛇的身體很柔軟,可以扭曲成各種形狀。如果有必要,它也可以非常快速地移動,部分原因是它的皮膚摩擦力非常小。”

在最新的研究中,研究人員開發了一種叫做固液界面聚合(SLIP)的工具,它可以在橡膠或彈性材料等現有表面上鋪設一層薄薄的皮膚,看起來像蛇鱗,使原本粘稠的表面變得非常光滑。

在許多新的工程應用中,如軟機器人或可穿戴傳感器,傳統的液體潤滑劑無法使用。相反,表面本身必須調整。這項技術可能會給需要克服摩擦和潮濕的機器帶來好消息。

上圖:近距離觀察蛇鱗;下圖:顯微鏡下看到的以蛇皮為靈感的“皮膚”。

把蛇的鱗片放在顯微鏡下,我們可以看到它們是由許多層組織堆疊在一起組成的。最上層就像是非常脆硬的角蛋白,我們的指甲也是由這種物質構成的;然后,鱗片會逐漸過渡到下面柔軟得多的材質。這種軟硬結構的結合有助于在保持低摩擦的同時提供靈活性,這也是研究人員希望在實驗室中復制的特性。

該團隊首先使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作底層,這是一種彈性材料。然后,通過滑移技術在底層上鋪設一層薄的鱗片狀合成材料。這種方法的工作原理是將小分子混合成液膜,利用光使其從懸浮液中析出,有點像豌豆沉入一碗湯的底部。然后,那些積木會滲透到PDMS,形成混合皮層,產生相當于蛇皮靴子的實驗效果。丁說:“一摸,手指就滑。”

研究小組進行了一系列看似簡單的測試。給混合的PDMS和普通PDMS增加重量,然后把它們放在不同的斜面上。結果顯示,即使在輕微的傾斜角度下,該團隊的蛇皮處理的PDMS也會下降,而普通材料則完全不會移動。研究員王夢媛說:“PDMS真的很粘。即使你把它倒過來,它仍然會粘在表面上。”

這種類似蛇皮的材料與許多陶瓷材料和光滑金屬的摩擦相似。該團隊表示,SLIP方法足夠靈活,可以以任何形式鋪設皮膚,包括拼寫單詞的形狀。但是,在實際應用之前還有很多工作要做。

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