Структура технических приложений обычно разрабатывается специально для конкретной выгоды и не может адаптироваться к различным субстратам. Возьмем, к примеру, шины: летние шины лучше держатся на сухих и теплых дорогах, а зимние шины изготовлены из мягкой резиновой смеси и поэтому не подходят для теплых, но для более холодных температур.
Природа, с другой стороны, может делать это по-другому: ноги насекомых могут справляться как с шероховатыми, так и с скользкими поверхностями. На основании этих результатов междисциплинарная исследовательская группа из Университета Кристиана Альбрехта в Киле (CAU) в настоящее время разработала систему искусственного трения, которая работает на разных поверхностях.
Картинная галерея
Картинная галерея с 5 картинками
Особенность ног насекомых
При поиске пищи насекомые часто сталкиваются с шероховатыми, гладкими и скользкими поверхностями. Например, крючковидные когти или липкие волоски на ногах крепко держат их. Например, ноги кузнечика характеризуются небольшими подушкообразными дополнениями. С одной стороны, эти подушки покрыты резиноподобной пленкой, обеспечивающей хороший контакт с клеевой поверхностью. С другой стороны, они состоят из особенно стабильных волокон внутри, которые могут передавать большое усилие. Однако копирование такой волокнистой структуры будет слишком трудоемким и дорогостоящим для промышленного применения.
Исследовательская группа разрабатывает структуру, которая под небольшим давлением адаптируется практически к любой поверхности. Их сочетание мягкого силиконового покрытия, заполненного мелкозернистыми гранулами, создает устойчивую фиксацию. Простое производство также делает возможным промышленное использование, пишет исследовательская группа в текущем номере журнала Advanced Materials Interfaces.
Два свойства материала в одном решении
Хорошая поверхность контакта и стабильная передача энергии необходимы для прочного удержания. «Чтобы прилипать к различным поверхностям, нужно было бы переключиться - фактически противоречие - между поведением мягких и твердых материалов», - объясняет Станислав Горб, профессор функциональной морфологии и биомеханики в CAU. В то время как состояние мягкого материала обеспечивает большую площадь контакта с поверхностью, устойчивое состояние обеспечивает большую передачу энергии. Вместе со своей командой инженер-бионик искал способ переключения между двумя свойствами материала. Кроме того, решение должно быть простым и недорогим в изготовлении, чтобы его также можно было использовать для технических применений.
Исследовательская группа в Киле теперь может продемонстрировать эффект, подобный подушкам на ногах кузнечика для гранул, то есть гранулированной массы. Для этого они использовали принцип так называемого «глушения перехода». «Вы можете представить это как в упаковке кофе: порошок кофе плотно прижат друг к другу под давлением и образует плотную массу, твердую, как камень. Когда упаковка открыта, порошок выпадает и, таким образом, ведет себя совершенно по-разному, почти как жидкость », - рассказывает Халвор Трамсен вместе с Ларсом Хипе, одним из двух физиков в исследовательской группе.
Высокие силы трения на всех испытательных участках
Они заключили гранулят в гибкую мембранную крышку и проверили удержание их «подушки гранулята» на гладких, структурированных и грязных поверхностях. Благодаря мягкому покрытию, подушка идеально ложится на различные поверхности. Затем ученые оказали давление на подушку, которая сгущала зерна внутри и укрепляла всю подушку. Эта прочность и большая поверхность контакта с поверхностью создают большие силы трения, что означает, что подушку больше нельзя перемещать. Он обеспечивает намного лучшее сцепление со всеми тремя типами испытательных поверхностей, чем чистая силиконовая резина или в качестве подушки, заполненной жидкостью.
Модель, разработанная профессором Александром Филипповым, физиком-теоретиком и научным сотрудником Георгом Форстером в рабочей группе в Киле, показывает, как принцип максимизации трения гранулированной подушки работает на других субстратах. Его расчеты также позволяют проверить взаимодействие между гранулятом и мембраной для других материалов и размеров частиц.
Компоненты углепластика
Когда вышивка от кутюр встречается с бионикой
«В нашем прототипе мы использовали растяжимый силикон для чехла и - фактически - наполнили его сухим молотым кофе», - объясняет Горб. Из-за их размера частиц и их грубой формы эти частицы очень легко улавливаются, и эффект "заклинивающего перехода", то есть изменения свойств мягких и твердых материалов, проявляется особенно хорошо. В принципе, вполне возможно использовать сухую кофейную гущу с точки зрения переработки и для промышленного применения. В конце концов, остаток легко доступен, без загрязняющих веществ и недорогой, говорит Горб. Исследования других материалов и материалов уже запланированы.