Если вы хотите узнать, как сделать кроссовки с лучшим сцеплением, просто спросите змею. Эта теория лежит в основе исследования Хишама Абдель-Аала, доктора философии, доцента Инженерного колледжа Университета Дрекселя, который изучает змеиную кожу, чтобы помочь инженерам улучшить дизайн текстурированных поверхностей, таких как гильзы цилиндров двигателей, протезы суставов и да., может даже обувь.
Абдель-Аал, инженер-механик, специализирующийся на трибологии, изучающей трение, почти десять лет собирал и анализировал змеиные шкуры, пытаясь понять и количественно определить, как они создают трение при движении. В статье, недавно опубликованной в Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Абдель-Аал объясняет, как эти «природные данные» могут быть перенесены в дизайн коммерческих продуктов, которые скользят и прилипают - процесс, называемый «инженерией поверхностей, вдохновленной биотехнологиями».
«Природа повлияла на многие области инженерии и дизайна, но трибология - это одна из областей исследования, которая несколько упускается из виду, когда речь идет об обучении у природы», - сказал Абдель-Аал. «В частности, змеи могут многому научить нас в оптимизации скольжения и захвата. Их существование зависит от эффективности движения в очень специфических условиях. Змеи, которых мы изучаем сегодня, являются результатом эволюционного процесса, который полностью адаптировал микроструктуру. их кожи и структуры их тела к перемещению и выживанию в их среде обитания с первого дня. Эти условия могут быть жестокими даже для наших самых передовых машин, поэтому применение того, что мы знаем о текстурировании змей, может также помочь нашей технологии адаптироваться."
Но для того, чтобы слушать советы природы по дизайну, требуется немало переводов. Работа Абдель-Аала в этой области быстро становится стандартом, помогающим инженерам раскрыть потенциал управления змеиным трением при проектировании поверхностей.
Его последнее исследование выделяет текстурные черты змеиной кожи, полученные в результате анализа 350 полных шкур, сброшенных с 40 различных видов, сопоставляет их со стандартными характеристиками текстурированных промышленных поверхностей и предлагает, как эту структуру можно использовать для синтеза умные поверхности» с новыми фрикционными возможностями.
Угадай и проверь
Хотя это вездесущая сила природы, которую ученые, инженеры и дизайнеры изучали и боролись с ней в качестве фонового шума на протяжении столетий, когда дело доходит до фактического использования трения для наших целей, большая часть нашего современного понимания остается окутанной тайной..
Часть этого, предполагает Абдель-Аал, заключается в том, что наши отношения с трением эволюционировали, постоянно пытаясь свести на нет его с помощью смазочных материалов или максимизировать его с помощью текстуры, но почти всегда в погоне за целями. Как только эта конкретная цель достигнута - будь то поршень двигателя, производящий определенное количество лошадиных сил, или футбольные бутсы, которые работают на грязном поле - проделанная работа редко способствует более широкому пониманию трения.
«Дизайн текстуры по-прежнему рассматривается как «черное искусство» в том смысле, что в настоящее время существует разрыв между доступными технологиями текстурирования и концептуальной парадигмой проектирования текстур», - написал он в обзоре функциональных поверхностей. Абдель-Аал отмечает, что такое понимание не только повысит эффективность этих конкретных задач проектирования, но также может вдохновить на более широкое использование трения при проектировании новых поверхностей.
Руководство, которое представляет Абдель-Аал, избавляет от множества догадок при текстурировании и вместо этого позволяет дизайнерам делать преднамеренный выбор, опираясь на мнения скользких экспертов по трибологии.
В поисках закономерности
Чтобы различить элементы, которые придают змее способность справляться с трением, Абдель-Аал проанализировал свой запас образцов кожи с точностью и вниманием к топографии, как картограф, рисующий карту.
Его запас линьки начался с нескольких образцов от друзей с королевским питоном и вырос до нескольких сотен с небольшой помощью зоопарка Филадельфии и Академии естественных наук.
Важно изучить кожу, которую носила бы змея, поэтому, когда Абдель-Аал получает новый образец, он сначала замачивает его в воде, чтобы сделать его более прочным, а затем выворачивает его наизнанку, так как большинство змей сбрасывают кожу, как наспех снятый носок.
Затем он монтирует его на графическую бумагу и сканирует, чтобы создать постоянную запись с визуальной системой отсчета. Оттуда он и его коллеги-исследователи могут начать детальные измерения формы и размера чешуек, а также их положения относительно друг друга и вокруг тела змеи.
Наконец, он исследует кожу с помощью сканирующего электронного микроскопа, чтобы получить изображение микроскопических особенностей, которые создают ее текстуру. Змеиная чешуя имеет невидимые маленькие волосовидные структуры, называемые фибриллами. Хотя они всего микрон в длину - около 1/100 ширины человеческого волоса - фибриллы и то, как они расположены на нижней стороне змеи, являются ключом к ее способности создавать трение.
Расположение фибрилл, а также размер, форма, жесткость и распределение чешуи создают уникальный профиль трения для каждой змеи - это то, над чем работал Абдель-Аал, чтобы зафиксировать и каталогизировать.
Обратное проектирование змей
С «картографированием» змеиной кожи команда Абдель-Аала может выявить существенные паттерны текстурных особенностей, которые способствуют перемещению змеи в окружающей среде.
«Для адаптации к местным требованиям требуется специализация по форме, геометрии и механическим свойствам строительных блоков кожи», - сказал он. «Последствия адаптации к местным условиям интригуют, потому что они дают место для расшифровки элементов дизайна поверхности змей - такой процесс может дать много уроков, применимых к дизайну технологических поверхностей."
В дополнение к категоризации моделей чешуек и распределения волокон по телу змеи, работа Абдель-Аала синтезирует объемы исследований физики движения змей и измерения силы трения, оказываемой змеями, когда они извиваются, скользят., горка и боковой ветер.
Сопоставив эти измерения с профилем текстуры, который он создал для каждой змеи, Абдель-Аал может связать физические черты с их влиянием на механику змеи.
Например, текстура чешуи и мускулатура крупных змей, таких как удавы и питоны, были оптимизированы для прямолинейного или прямолинейного движения. Чтобы осуществить этот тип движения, змея в основном поднимает часть своего тела и наклоняется вперед, отталкиваясь от земли частями своей чешуи. При внимательном рассмотрении этих участков кожи змеи становится очевидным, что на «толкающих» частях тела змеи больше фибрилл, которые создают достаточное трение, позволяющее ей скользить вперед по другим чешуйкам.
Шкалы в шевроны
Чтобы установить прямую связь между кожей и искусственными поверхностями, Абдель-Аал проанализировал исследование поверхностей с лазерной текстурой, в ходе которого был проведен аналогичный микроскопический осмотр и инвентаризация характеристик поверхности. Эти методы текстурирования, такие как лазерное и химическое травление, пескоструйная обработка и напыление, создают поверхности с очень специфическими профилями трения для таких вещей, как цилиндры двигателей и гидравлические компоненты машин.
Но у них есть одна важная деталь, связанная с текстурой, встречающейся в природе.
«Основным строительным блоком как в случае со змеиной кожей, так и в случае текстурированных инженерных поверхностей является текстурный элемент, который повторяется в распределении массивов», - пишет Абдель-Аал. «Расстояние, длина, ориентация и форма зубных рядов, как правило, являются общими для определенного семейства змей. С другой стороны, инженерные поверхности имеют текстурные строительные блоки, такие как конусы, ямочки и шевроны, распределенные по поверхности. Следовательно, оба типа поверхностей имеют общее конструктивное происхождение».
Преобладающими физическими особенностями текстурированных поверхностей являются микроскопические каналы, углубления и выступы, которые расположены таким образом, чтобы обеспечить постоянное трение в системе со смазкой. Инженеры описывают текстуры поверхности с точки зрения среднего значения этих характеристик. Таким образом, «шероховатость» может быть определена путем усреднения высоты выступов, вычисления общей площади, покрытой ими, или определения их гибкости путем сравнения высоты выступа с площадью его основания.
Микроскопические измерения особенностей текстуры змеиной кожи позволяют Абдель-Аалу установить прямую связь между фибриллами и выступами. Таким образом, те же самые меры шероховатости могут быть применены к змеям, просто рассчитав высоту фибрилл, их стройность и общее распределение на чешуе.
Этот прорыв, утверждает Абдель-Аал, позволяет интегрировать функциональные паттерны змеи в инженерные поверхности для создания текстур с предсказуемым поведением.
Набирает обороты
«Для того, чтобы дизайн поверхности, основанный на биологическом вдохновении, был эффективным, нам нужно было разработать общий словарь для описания особенностей текстурирования», - пишет Абдель-Аал. «Мы обнаружили, что между выступами и впадинами на текстурированных поверхностях и фибриллами змеиной кожи, по-видимому, существует три основных параметра: общая площадь элемента, отношение элемента к поверхности, выступ/высота и отношение высоты к основанию."
При классификации змеиных шкур по этим показателям обнаружилась интересная закономерность. Многие из «рекомендуемых коэффициентов текстурирования», которые исследователи обнаружили в процессе производства и тестирования искусственных поверхностей, уже существуют у змей.
«Поразительно, что инженерные исследования за последние 25 лет привели к тому же дизайнерскому решению с точки зрения настройки характеристик поверхности для повышения эффективности движения, которое змеи эволюционировали на протяжении миллионов лет», - сказал Абдель-Аал..«Хотя это означает, что инженеры, вероятно, пришли к правильному ответу, это также предполагает, что данные, полученные при изучении змей, могут привести нас к этим выводам гораздо эффективнее, что ускорит разработку новых парадигм поверхностного строительства, которые могут использовать преимущества быстро развивающихся производственных инструментов.."
Теперь, когда работа Абдель-Аала позволяет инженерам сравнивать характеристики поверхности и змеи - ямки с ямками - некоторые уже начали применять ее для повышения производительности систем, зависящих от тщательного управления трением.
Коллаборанты из Колумбии разработали и испытали поверхность для протеза тазобедренного сустава, руководствуясь трибологическими данными, полученными в результате анализа кожи королевского питона, проведенного Абдель-Аалом. Основываясь на работе Абдель-Аала и его сотрудников, исследователи в Великобритании разрабатывают схемы текстурирования для режущих пластин, используемых при сухой обработке титана. Эти вдохновленные биотехнологиями конструкции вставок максимизируют трение и минимизируют остаточное тепло в процессе. А немецкие инженеры недавно опубликовали работу о змеиных гильзах цилиндров, которые позволяют поверхностям свести к минимуму трение независимо от того, двигаются ли они вперед или назад.
Абдель-Аал публикует свои наборы данных, чтобы их могли использовать любые инженеры. Но он также планирует встроить их в алгоритм, который легко впишется в процесс проектирования поверхностей.
«Создание поверхностей, вдохновленных биотехнологиями, имеет более широкую цель, чем просто воспроизведение биотекстурирования. По сути, оно направлено на то, чтобы распространить потенциальные трибологические преимущества поверхностей рептилий на область поверхностей, созданных человеком», - Абдель-Аал. пишет в журнале. «Несмотря на то, что эта область быстро развивается, существует острая необходимость в более глубоком сотрудничестве между сообществами заинтересованных сторон. Я считаю, что этот общий язык между биологией и трибологией обеспечит перекрестное общение, необходимое для этого сотрудничества».