Ny fysiklov hjælper mennesker og robotter med at forstå friktionen ved berøring

Selvom robotudstyr bruges i alt fra samlebånd til medicin, ingeniører har svært ved at redegøre for den friktion, der opstår, når disse robotter griber genstande - især i våde omgivelser. Forskere har nu opdaget en ny fysiklov, der forklarer denne type friktion, som skulle fremme en bred vifte af robotteknologier.

"Vores arbejde her åbner døren til at skabe mere pålidelige og funktionelle haptiske og robotiske enheder i applikationer som telekirurgi og fremstilling, " siger Lilian Hsiao, en assisterende professor i kemisk og biomolekylær teknik ved North Carolina State University og tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet.

Det drejer sig om noget, der kaldes elastohydrodynamisk smøring (EHL) friktion, som er den friktion, der opstår, når to faste overflader kommer i kontakt med et tyndt lag væske mellem dem. Dette vil omfatte den friktion, der opstår, når du gnider fingerspidserne sammen, hvor væsken er det tynde lag af naturligt forekommende olie på din hud. Men det kan også gælde for en robotklo, der løfter en genstand, der er blevet belagt med olie, eller til et kirurgisk udstyr, der bliver brugt inde i den menneskelige krop.

En af grundene til, at friktion er vigtig, er, at den hjælper os med at holde ting uden at tabe dem.

"Det er intuitivt for mennesker at forstå friktion - selv når vi håndterer sæbeskåle, "Hsiao siger. "Men det er ekstremt svært at tage højde for EHL-friktion, når man udvikler materialer, der styrer gribeevner i robotter."

At udvikle materialer, der hjælper med at kontrollere EHL-friktion, ingeniører har brug for en ramme, der kan anvendes ensartet på en lang række mønstre, materialer og dynamiske driftsforhold. Og det er netop, hvad forskerne har opdaget.

"Denne lov kan bruges til at redegøre for EHL-friktion, og kan anvendes på mange forskellige bløde systemer - så længe objekternes overflader er mønstrede, " siger Hsiao.

I denne sammenhæng, overflademønstre kan være alt fra de let hævede overflader på spidsen af ​​vores fingre til riller i overfladen af ​​et robotværktøj.

Det nye fysiske princip, udviklet i fællesskab af Hsiao og hendes kandidatstuderende Yunhu Peng, gør brug af fire ligninger til at redegøre for alle de fysiske kræfter, der er i spil for at forstå EHL-friktion. I avisen, forskerholdet demonstrerede loven i tre systemer:menneskelige fingre; en bio-inspireret robot fingerspids; og et værktøj kaldet et tribo-rheometer, som bruges til at måle friktionskræfter. Peng er førsteforfatter af papiret.

"Disse resultater er meget nyttige i robothænder, der har mere nuancerede kontroller til pålidelig håndtering af fremstillingsprocesser, " siger Hsiao. "Og det har åbenlyse anvendelser inden for telekirurgi, hvor kirurger fjernstyrer robotudstyr til at udføre kirurgiske procedurer. Vi ser dette som et fundamentalt fremskridt for at forstå berøring og for at kontrollere berøring i syntetiske systemer."

Papiret, "Elastohydrodynamisk friktion af robot- og menneskefingre på bløde mikromønstrede substrater, " er offentliggjort i Naturmaterialer .