Slangeskind inspirerer nye, friktionsreducerende materiale

Et forskerhold ledet af CU Boulder har designet en ny slags syntetisk "hud" lige så glat som en slanges skalaer.

Forskningen, offentliggjort for nylig i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader , adresserer et undervurderet problem inden for teknik:Friktion.

Yifu Ding, seniorforfatter til det nye papir, forklarede, at hver dag, maskiner fra robotter til biler mister enorme mængder energi, simpelthen fordi deres dele gnider sammen. For at forsøge at reducere dette tab, han og hans kolleger tog signaler fra naturen - specifikt, dets mest slidende medlemmer.

"En slanges krop er blød nok til at den kan vride sig i alle mulige former, " sagde Ding, en professor i Paul M. Rady Department of Mechanical Engineering. "Den kan også bevæge sig meget hurtigt, hvis det er nødvendigt, dels fordi dens hud har så lav friktion. "

I deres seneste undersøgelse, forskerne udviklede et værktøj kaldet solid-liquid interfacial polymerization (SLIP), der giver dem mulighed for at lægge et tyndt lag hud på eksisterende overflader som gummi eller elastiske materialer kaldet elastomerer. Det lag ligner meget skæl af en slange og kan gøre en ellers klæbrig overflade til en skridfare.

Teknologien kan være en velsignelse for maskiner, der bekæmper friktion, men ikke kan tåle at blive våd.

"Der er mange nye tekniske applikationer, som bløde robotter eller bærbare sensorer, hvor du ikke kan bruge disse traditionelle flydende smøremidler, " sagde Ding. "Snarere, du skal modificere selve overfladen."

Det er nu muligt, takket være den ofte hadede slange.

Hvad er der i en skala?

Slanger, fra stribede strømpebåndsslanger til lysegrønne vinslanger, deres vægt skylder meget af deres succes. Hvis du sætter en af ​​disse små strukturer under et mikroskop, du vil bemærke, at de består af mange lag væv stablet oven på hinanden.

"Det øverste lag er som keratin, hvad vores negle er lavet af, "Sagde Ding." Det er meget skørt og stift. Så overgår skalaen gradvist til et meget blødere materiale nedenfor."

Den kombination af hårdt ovenpå blødt giver slanger deres kant, hjælper dem med at holde deres friktion lav, mens de stadig er fleksible. Det er også den funktion, Ding og hans kolleger ønskede at replikere i laboratoriet.

Gruppen begyndte med en base lavet af polydimethylsiloxan (PDMS), et elastisk materiale, der er almindeligt i mange medicinske teknologier. Forskerne brugte derefter SLIP-teknikken til at placere en tynd, skællignende lag af syntetisk materiale på fundamentet.

Metoden, Ding forklarede, virker ved at blande små molekyler i en væskefilm, Brug derefter lys til at få dem til at falde ud af suspensionen - lidt ligesom ærter synker til bunden af ​​en skål suppe. Når først der, disse byggesten infiltrerer PDMS og danner et hybrid hudlag.

Dette resulterer i laboratorieækvivalenten til slangeskindsstøvler.

"Intet holder fast ved det, " sagde Ding. "Du kan røre ved det, og din finger vil glide."

Slider og glider

For at bevise, hvor slangeagtig deres opfindelse er, han og hans kolleger – inklusive Mengyuan Wang, der for nylig fik sin ph.d. fra CU Boulder – kørte en række tilsyneladende simple tests. Gruppen knyttede vægte til både den hybride og normale PDMS, sæt dem derefter på forskellige skrå overflader.

Holdets slangeskindbehandlede PDMS skred ned selv små skråninger, Wang sagde, mens det almindelige materiale ikke rokkede sig.

"PDMS er virkelig klæbrig, " sagde Wang. "Selv når du vender det helt på hovedet, det vil stadig klæbe til overflader."

Holdets slangeskind har samme friktionsniveau som mange keramiske materialer og skinnende metaller, gruppen fandt. Ding tilføjede, at SLIP-metoden er smidig nok til at den kan lægge denne hud ned i ethvert mønster, herunder i former, der staver ord.

Gruppen har stadig et stort arbejde foran sig, før den kan begynde at anvende sin glatte overflade på rigtige robotled. Men forskningen er endnu en grund til at takke en venlig slange.

"Når vi designer nye materialer, vi ved ikke altid, hvilken slags struktur vi skal lave, "Sagde Ding." Men hvis der er et eksempel i naturen, det er allerede bevist, at det kan virke, så vi kan bare efterligne det. "