Hvad kan slanger lære os om ingeniørfriktion?

Hvis du vil vide, hvordan man laver en sneaker med bedre trækkraft, bare spørg en slange. Det er teorien, der driver forskningen af ​​Hisham Abdel-Aal, Ph.D., en lektor fra Drexel University's College of Engineering, der studerer slangeskind for at hjælpe ingeniører med at forbedre designet af teksturerede overflader, såsom motorcylinderforinger, ledproteser – og ja, måske endda fodtøj.

Abdel-Aal, en maskiningeniør med ekspertise i tribologi, studiet af friktion, har indsamlet og analyseret slangeskind i næsten et årti i et forsøg på at forstå og kvantificere den måde, de genererer friktion, når de bevæger sig. I et papir for nylig offentliggjort i Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials Abdel-Aal forklarer, hvordan disse "naturlige data" kan overføres til designet af kommercielle produkter, der glider og klæber - en proces kaldet "bio-inspireret overfladeteknik."

"Naturen har informeret mange områder inden for teknik og design, men tribologi er et studieområde, der er blevet lidt overset, når det kommer til at lære af naturen, " sagde Abdel-Aal. "Slanger har især meget at lære os om at optimere slip og greb. Deres eksistens er afhængig af effektiviteten af ​​bevægelse i meget specifikke miljøer. De slanger, vi studerer i dag, er resultatet af en evolutionær proces, der fuldt ud har tilpasset mikrostrukturen af ​​deres hud og deres kropsstruktur til at bevæge sig og overleve i deres habitat fra dag ét. Disse miljøer kan være brutale på selv vores mest avancerede maskineri, så anvendelse af det, vi ved om slangeteksturering, kan også hjælpe vores teknologi med at tilpasse sig."

Men at lytte til naturens designtips kræver en del oversættelse. Abdel-Aals arbejde på dette område er hurtigt ved at blive standarden for at hjælpe ingeniører med at låse op for potentialet i slangefriktionskontrol til overfladedesign.

Hans seneste forskning destillerer slangeskindets teksturtræk – hentet ud fra at analysere 350 komplette skind fra 40 forskellige arter – matcher dem med standardegenskaberne for teksturerede industrielle overflader og foreslår, hvordan denne ramme kan bruges til at syntetisere "smarte overflader" med nye friktionsevner.

Gæt og tjek

Selvom det er en evigt tilstedeværende naturkraft, som videnskabsmænd, ingeniører og designere har studeret og kæmpet med som baggrundsstøj i århundreder, når det kommer til faktisk at udøve friktion til vores brug, forbliver meget af vores moderne forståelse indhyllet i mystik.

En del af dette, Abdel-Aal foreslår, er fordi vores omgang med friktion har udviklet sig ved konstant at forsøge at ophæve den med smøremidler eller maksimere den med tekstur – men næsten altid i jagten på on-off mål. Når først det specifikke mål er nået – det være sig at få et motorstempel til at producere en vis mængde hestekræfter, eller en fodboldknude, der fungerer på en mudret bane - det arbejde, der gik i den, bidrager sjældent til en bredere forståelse af friktion.

"Design af tekstur betragtes stadig som en 'sort kunst' med den effekt, at der i øjeblikket eksisterer et kløft mellem tilgængelige muliggørende tekstureringsteknologier og et konceptuelt tekstur-design-paradigme, " skrev han i en anmeldelse af funktionelle overflader. Abdel-Aal bemærker, at en sådan forståelse ikke kun ville forbedre effektiviteten af ​​disse specifikke designudfordringer, men det kunne også inspirere til bredere brug af friktion i design af nye overflader.

Den guide, Abdel-Aal præsenterer, fjerner meget af gætværket af teksturering og giver i stedet designere mulighed for at træffe bevidste valg - understøttet af input fra de glidende tribologieksperter.

At finde mønsteret

For at skelne de elementer, der giver en slange dens talent til at håndtere friktion, Abdel-Aal analyserede sit lager af hudprøver med detaljerne, og opmærksomhed på topografi, af en kartograf, der tegner et kort.

Hans lager af udfald startede med et par prøver fra venner med en kongelig python og er vokset til flere hundrede med lidt hjælp fra Philadelphia Zoo og Academy of Natural Sciences.

Det er vigtigt at studere huden, da slangen ville have båret den, så når Abdel-Aal får en ny prøve, gennembløder han den først i vand, for at gøre det mere holdbart, så vender den ret ud, da de fleste slanger smider deres hud som en hastigt fjernet tubesok.

Derefter monterer han det på grafpapir og scanner det for at skabe en permanent registrering med en visuel referenceramme. Derfra kan han og hans forskningsmedarbejdere begynde at foretage detaljerede målinger af skalaernes form og størrelse, og deres placering, i forhold til hinanden og om slangens krop.

Endelig, han undersøger huden med et scanningselektronmikroskop for at fremstille et billede af de mikroskopiske træk, der skaber dens tekstur. Slangeskæl har usynligt små, hårlignende strukturer, kaldet fibriller. Selvom de kun er en mikron i længden - omkring 1/100 af bredden af ​​et menneskehår - fibrillerne, og hvordan de er arrangeret på slangens underside, er nøglen til dens evne til at generere friktion.

Placeringen af ​​fibrillerne, sammen med størrelsen, form, stivhed, og fordeling af vægte skaber en unik friktionsprofil for hver slange - hvilket er, hvad Abdel-Aal har arbejdet på at fange og katalogisere.

Reverse-engineering slanger

Med slangeskindet "kortlagt" kan Abdel-Aals team pirre de væsentlige mønstre af teksturtræk, som alle bidrager til at flytte slangen videre i sit miljø.

"Tilpasning til lokale krav kræver specialisering i form, geometri og mekaniske egenskaber af hudens byggesten, " sagde han. "Konsekvenserne af tilpasning til lokale forhold er spændende, fordi de giver et mødested for afkodning af elementer af overfladedesign i slanger - en sådan proces har potentialet til at give mange erfaringer, der kan anvendes til design af teknologiske overflader."

Ud over at kategorisere mønstre af skæl og fibrilfordeling om slangens krop, Abdel-Aals arbejde syntetiserer mængder af forskning om fysikken i slangebevægelser og målinger af de friktionskræfter, som slangerne udøver, når de bølger, krybe, skridning og sidevind.

Ved at krydshenvise disse målinger med den teksturprofil, han skabte for hver slange, Abdel-Aal kan relatere de fysiske træk til deres indflydelse på slangens mekanik.

For eksempel, skalatekstur og muskulatur af store slanger, såsom boaer og pythoner er blevet optimeret til retlinede, eller retlinet bevægelse. For at denne type bevægelse kan forekomme, slangen løfter stort set en del af sin krop og slinger fremad ved at skubbe mod jorden med dele af dens skæl. Når man ser nærmere på disse dele af slangeskindet, det er tydeligt, at der er flere fibriller på de "skubbede" dele af slangens krop, som skaber nok friktion til at den kan glide fremad på de andre vægte.

Skalaer til Chevrons

For at skabe en direkte relation mellem skind og konstruerede overflader, Abdel-Aal gennemgik forskning om laserteksturerede overflader, der udførte en lignende mikroskopisk inspektion og opgørelse over overfladeegenskaber. Disse tekstureringsteknikker, såsom laser og kemisk ætsning, sandblæsning, og aflejring, skabe overflader med meget specifikke friktionsprofiler til ting som motorcylindre og hydrauliske komponenter i maskineri.

Men de deler en vigtig detalje med den teksturering, der findes i naturen.

"Den grundlæggende byggesten i tilfælde af både slangeskind og teksturerede konstruerede overflader er et teksturelt element, der gentages i en array-fordeling, Abdel-Aal skriver. "Afstand, længde, orientering og form af dentikulation er, generelt, fælles for en bestemt familie af slanger. Konstruerede overflader, på den anden side, har teksturelle byggesten som kegler, fregner, og chevrons, fordelt på overfladen. Derfor, begge typer overflader deler en fælles konstruktionsmæssig oprindelse."

De overvejende fysiske træk ved de teksturerede overflader er mikroskopiske kanaler, fordybninger og fremspring, som er opstillet for at sikre ensartet friktion i et smurt system. Ingeniører beskriver overfladeteksturer i form af gennemsnittet af målingerne af disse funktioner. Så "ruhed" ville blive kvantificeret ved at tage et gennemsnit af højden af ​​fremspringene, beregning af det samlede areal, der dækkes af dem, eller bestemme deres slankhed ved at sammenligne fremspringets højde med arealet af dets base.

Mikroskopiske målinger af slangeskindets teksturfunktioner gør det muligt for Abdel-Aal at skabe den direkte relation mellem fibriller og fremspring. Så de samme ruhedsmål kan anvendes på slangerne blot ved at beregne fibrillens højde, slankhed og overordnet fordeling på vægten.

Dette gennembrud, Abdel-Aal hævder, gør det muligt at integrere det funktionelle mønster fra en slange på konstruerede overflader for at skabe teksturer med forudsigelig adfærd.

Får trækkraft

"For at bio-inspireret overfladedesign skal være effektivt, vi var nødt til at udvikle et fælles ordforråd til at beskrive tekstureringsegenskaber" Abdel-Aal skriver. "Vi fandt ud af, at tre hovedparametre syntes at oversætte bredt mellem fremspringene og fordybningerne på teksturerede overflader og fibrillerne i slangeskind:det samlede areal af træk, funktion-til-overflade-forhold, fremspring/højde og højde-til-bund-forhold."

Ved at klassificere slangeskindene efter disse mål, et interessant mønster opstod. Mange af de "anbefalede teksturforhold", som forskere har fundet gennem produktion og test af konstruerede overflader, er de samme, som allerede findes i slanger.

"Det er slående, at ingeniørforskning gennem de sidste 25 år kom frem til den samme designløsning, med hensyn til tilpasning af overfladefunktioner for at fremme effektiviteten af ​​bevægelse, at slanger har udviklet sig over millioner af år, " sagde Abdel-Aal. "Selvom det betyder, at ingeniører sandsynligvis er kommet frem til det rigtige svar, det tyder også på, at data fra at studere slanger kunne guide os til disse konklusioner meget mere effektivt - og dermed accelerere udviklingen af ​​nye overfladekonstruktionsparadigmer, der kan drage fordele af de hurtigt udviklende produktionsværktøjer."

Nu hvor Abdel-Aals arbejde giver ingeniører mulighed for at sammenligne overflade- og slangeegenskaber – fordybninger med fordybninger – er nogle allerede begyndt at anvende det for at forbedre ydeevnen af ​​systemer, der er afhængige af omhyggelig friktionsstyring.

Samarbejdspartnere i Colombia designede og testede en overflade til et hofteledsprotese styret af de tribologiske data hentet fra Abdel-Aals analyse af Royal Python-hud. Baseret på arbejdet af Abdel-Aal og hans samarbejdspartnere, forskere i U. K. udvikler tekstureringsskemaer for værktøjsindsatser, der bruges til tørbearbejdning af titanium. Disse bio-inspirerede indsatsdesign maksimerer friktionen, mens den minimerer restvarme i processen. Og tyske ingeniører har for nylig offentliggjort arbejde på slange-inspirerede cylinderforinger, der gør det muligt for overfladerne at minimere friktionen, uanset om den bevæger sig fremad eller bagud.

Abdel-Aal har udgivet sine datasæt, så enhver ingeniør kunne bruge dem. Men han planlægger også at bygge dem ind i en algoritme, der problemfrit kan passe ind i overfladedesignprocessen.

"Konstruktion af bio-inspirerede overflader har et bredere mål end blot replikering af bio-teksturering. Kort sagt, det søger at udvide de potentielle tribologiske fordele ved krybdyroverflader til domænet af menneskeskabte overflader, ", skriver Abdel-Aal i tidsskriftet. "Selvom feltet udvikler sig hurtigt, er der et presserende behov for et mere dybtgående samarbejde mellem interessentsamfund. Jeg tror, ​​at dette fælles sprog mellem biologi og tribologi vil muliggøre den krydskommunikation, der er nødvendig for dette samarbejde."