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当分支末端被推向一个表面时

发布时间:Mar 09, 2019         已有 人浏览

  受壁虎护膝上微观结构的启发,美国工程师创造了一种定向粘合剂,其手柄在一个方向上比在相反方向上大100倍。研究人员在斯坦福大学工作,他们的工作表明,生物灵感的空间变异可以提供具有先进性能的人造微结构,并有助于缩小合成材料和天然材料之间的性能差距。

  壁虎以其能够爬上光滑的垂直表面(如玻璃)而闻名,使用覆盖脚趾的微小毛发状刚毛。这些刚毛分支,变得越来越精细,最终终止于平坦的刮刀,它们如此接近表面,以至于它们形成干燥的粘合剂,通过范德瓦尔斯力。但是,壁虎在伸展障碍时也能够轻松快速地分开双脚。

  2006年,路易斯克拉克学院和斯坦福大学的研究人员发现,壁虎的刚毛只能朝一个方向发展。刚毛全部沿相同方向弯曲,当分支末端被推向一个表面时,它们展开并抓住。但是如果刚刚转动刚毛,由于曲率,刮刀都不会与表面接触而头发只会滑动。这种方向性粘合意味着脚趾在装载时紧紧握住,但是当它运行时,壁虎可以轻松地减轻脚的重量并使脚趾向前滑动。

  受到这项工作的启发,斯坦福大学的Arul Suresh及其同事通过改变其表面微观结构,制造出具有类似单向摩擦的粘合剂,以便在向不同方向拉动时其形状发生变化。

  他们使用有机硅弹性体雕刻出一种由一系列微型楔形物组成的材料。当沿一个方向沿表面拉动时,楔形物被拉向表面,产生紧密接触和摩擦。但是,一些楔子比其他楔子更大更长。当沿相反方向拉动粘合剂时,这些特征在其他楔形物上卷曲并将它们推离表面,防止紧密接触并显着减少摩擦。

  测试显示该材料具有100:1的摩擦比:24×25mm的贴片能够在一个方向上保持2.3kg的重量,但在相反的方向上仅保持22g的重量。

  为了证明这种材料的实际应用,Suresh告诉物理世界,该团队建造了一个像长尺一样移动的机器人 - 一个通过拱起和矫直身体向前移动的毛毛虫。“通常情况下,对于像这样的机器人来说,它需要足够复杂,足以拾起每只脚并将其向前移动,否则通过向前滑动每只脚来抵抗摩擦会浪费大量能量,”他解释道。“通过在脚上放置单向摩擦的材料,像这样的机器人仍然可以用很大的力推动,但是当使用简单的连杆重新定位时,可以轻松地向前滑动脚。这允许机器人在仍然拉动负载的同时“洗牌”,而不需要拿起脚并采取步骤。“

  Suresh说,单向摩擦材料也可以用来将任何表面变成棘轮。“这将允许机器人或其他设备在低摩擦方向上轻松移动,但也能抵抗强力将它们推回去,”他解释道。

  看看几乎所有的自然系统,立即引人注目的是一切都是多么复杂 - 至少与我们通常每天使用的产品相比

  天然材料通常非常复杂,表面微观结构显示出很多空间变化。例如,彩虹色,疏水性和抗阻性都通过微观表面变化在生物结构中发生。然而,在人造系统中,表面微结构往往是均匀的 - 部分原因是制造工艺有利于简化。

  据团队介绍,他们的工作表明,空间变异如何能够提供具有先进性能的人造微结构。他们补充说,研究人员应该关注生物系统,以激发他们创造下一代微结构。

  “看着几乎所有的自然系统,立刻引人注目的是一切都是多么复杂 - 至少与我们每天通常使用的产品相比,”Suresh说。“大自然有能力逐个细胞地定制解决方案,以应对特殊挑战。对其他生物系统的研究表明,幸运飞艇小的变化会影响这些系统的能力。“

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