蛇能教给我们哪些工程摩擦学知识？

研究人员展示了蛇皮是如何“指导”人们实现自定义的表面设计。...

如果你想知道如何制作一款更好、更有吸引力的运动鞋，那么，你就去“问问”蛇吧，你能得到满意的答案。这是推动德雷塞尔大学工程学院副教授Hisham Abdel-Aal研究发展的重要理论，Hisham Abdel-Aal博士正在对蛇皮进行研究，以帮助工程师改善一些纹理表面的设计，例如发动机气缸套，假关节，甚至还包括鞋子等。

Hisham Abdel-Aal博士是一位在摩擦学领域具有资深经历的机械工程师，近十年来，针对摩擦问题，他一直都在收集和分析蛇皮，以便更好的理解和量化移动时产生摩擦的方式。在最近发表在“ Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials（生物医学材料力学行为杂志）”上的一篇论文中，Abdel-Aal详细解释了如何有效理解这种“自然数据”并将其应用到滑动类和粘贴类的商业产品的设计中，这一过程现在被称为“生物启发式表面工程”。

Abdel-Aal表示：“自然界已将许多工程和设计知识以各种不同的形式告诉了人们，但人们在向大自然学习时，很显然的忽略掉了摩擦学这个研究领域。例如‘蛇’这种动物，就能教会我们很多关于摩擦方面的知识，比如我们需要了解摩擦原理以及如何优化滑动摩擦和抓地力等，它们的存在和效果主要取决于在特定环境中的运动效率。关于蛇，我们今天研究的蛇是经历了几百万年进化过程的结果，它完全适应了皮肤的微观结构以及它们的身体结构从第一天起就在它们的栖息地中移动和生存，这些环境对我们一些最先进的机器来说可能是非常难以适应的，所以应用我们对蛇形纹理的研究了解可以帮助我们的技术更好的适应一些更加复杂的应用环境。

但是，从大自然学习设计技巧还需要相当多的理解能力。Abdel-Aal在这方面的工作正迅速成为指导工程师们理解蛇形摩擦控制表面设计的标准参考。

Abdel-Aal最近的研究提炼出了蛇皮的纹理和结构特征，这些结果都是通过分析来自40种不同物种（包括350种完整皮肤）中收集到的——他将其与工业表面纹理的标准特征进行了匹配，并提出了如何使用该框架合成具有新型摩擦能力的“智能表面”。



正如虽然科学家、工程师和设计师们几百年来一直在研究和解决背景噪音问题，但它始终是我们自然界中客观存在的一种现象一样，当涉及到实际使用摩擦性能的时候，我们的现代理解仍然不完全充分。

Abdel-Aal认为，其中一部分原因是我们对摩擦的认识有偏差，我们总是不断试图利用润滑剂消除它或使其最大化。一旦达到了特定的目标，无论是使发动机活塞产生一定的马力，还是在泥泞的场地上可以工作的足球夹板等。这些工作都很难有助于人们对摩擦进行更广泛地理解。

Abdel-Aal在一篇关于功能表面评论的文章中写道：“纹理设计一直被视为是一种‘黑色艺术’，目前在可用的纹理技术和纹理设计概念之间还存在一些差距”。他指出，这样的理解不仅会提高完成这些特定设计挑战的可能性，而且还可以促进人们在新表面设计中更广泛地使用摩擦行为。

Abdel-Aal已经提出了很多纹理化的猜测，并允许设计人员根据具体需求做出针对性的选择。这些猜测均获得了滑动摩擦学方面专家的支持。

为了更好的理解赋予蛇摩擦天赋的原因，Abdel-Aal分析了他收集的一些皮肤样本中的细节部分，并且尤其注意了样品的表面状态。

这些样品中还包括蛇皮的脱落物，其中一些是来自皇家蟒蛇的样品，并且在费城动物园和自然科学院的帮助下已经增长到了几百个。

研究皮肤是很重要的，因为蛇会磨损它，所以当Abdel-Aal得到一个新样本时，他首先会将它浸泡在水中，使它更耐用，然后将它向右侧翻转，因为大多数蛇都像匆忙取出管状袜子一样褪掉皮肤。

然后他将其安装在绘图纸上并对其进行扫描，以创建一个具有可视框架的永久记录。从那里，他和他的研究小组成员可以开始详细测量蛇皮的形状和大小，以及它们相对于彼此以及蛇体的位置。

最后，他利用电子扫描显微镜检查皮肤，以产生形成其质地的微观特征的图像。蛇皮具有不可见的小头发状结构，称为原纤维。尽管它们的长度仅为1微米（约为人类头发宽度的1/100），但原纤维以及它们如何排列在蛇的底面上，是其产生摩擦能力的关键因素。

原纤维的定位以及尺寸，形状，硬度和尺度分布为每条蛇创造了独特的摩擦，这正是Abdel-Aal所采集和研究的内容。

随着蛇皮研究不断取得进展，Abdel-Aal的研究团队已经可以梳理出所有有助于在其环境中移动的蛇纹理特征的重要模式。

除了对蛇体的鳞片和原纤维分布模式进行分类外，Abdel-Aal的工作还包括了蛇体运动物理学方面的大量研究，以及蛇在波动，滑动和侧向运动时所施加摩擦力的量度。

通过将这些测量与他为每条蛇创建的纹理轮廓进行交叉参考，Abdel-Aal可以将物理特征与它们对蛇的力学影响联系起来。

例如，大型蛇的尺度纹理和肌肉组织（如蟒蛇）已针对直线运动进行了优化。要发生这种类型的运动，蛇基本上需要将其身体的一部分抬起，并通过其部分尺度推向地面向前倾斜。在仔细观察蛇皮的这些部分时，在蛇身体的“推动”下，部分区域上会形成更多的原纤维，这将产生足够的摩擦力以允许它在其他尺度上向前滑动。

为了在皮革和工程表面之间建立直接关系，Abdel-Aal回顾了许多关于激光纹理表面的研究，该研究对表面特征进行了类似的微观处理和检查。这些纹理技术（如激光、化学蚀刻，喷砂和沉积等）可以为机器中的发动机汽缸和液压组件等部件创建具有特定摩擦轮廓的表面。

而且，它们与自然界中出现的纹理有着重要的共同之处。Abdel-Aal说道：“对于蛇皮纹理化工程表面情况，基本构件是一个重复的阵列分布的纹理元素，一般而言，齿的间距，长度，方向和形状对于特定的蛇族是共同的，另一方面，工程表面具有分布在表面上的诸如圆锥体，凹痕和人字纹等纹理构件。这两种类型的表面都具有共同的结构起源”。

纹理表面的主要物理特征是具有微观通道，凹痕和突起，它们被有序排列以确保润滑系统中具有一致性摩擦。工程师根据这些特征的测量结果平均值来描述表面纹理。所以“粗糙度”可以通过平均突起的高度，计算它们覆盖的总面积或者通过比较突起的高度和其基部面积来进行量化。

蛇皮纹理特征的显微测量结果使得Abdel-Aal能够在原纤维和突起之间建立直接关系。因此，同样的粗糙测量方法可以应用于蛇，只需通过计算得出原纤维高度，细长度和鳞片上的总体分布即可。

Abdel-Aal断言，这一突破将使得人们可以把蛇的功能图案与工程表面相结合，以创建具有可预测行为的纹理。

“为了使生物启发式表面设计更加有效，我们需要发明一个通用词汇来描述纹理特征”，Abdel-Aal说道：“我们发现三个主要参数似乎在纹理表面的突起和凹痕以及蛇皮的原纤维之间具有非常广泛地转换关系：特征的总面积，特征表面比，突起/高度和高度—基底比。

根据这些对蛇皮进行分类时，研究人员发现了一种有趣的模式。研究人员通过生产和测试工程表面发现的许多“推荐的纹理比率”与蛇中大部分已经相同。

Abdel-Aal说：“令人惊讶的是，过去25年来的工程研究达成了许多相同的设计解决方案，就定制表面特征以提高运动效率而言，蛇已经发展了数百万年，”Abdel-Aal说道：“虽然这意味着工程师可能已经找到了正确的答案，但它也表明，研究蛇的数据可以更有效地指导我们得出这些结论，从而加速新型表面建筑的发展，这些发展可以利用到快速发展的制造工具”。

Abdel-Aal的工作一部分就是让工程师们能够更好的比较表面和蛇的纹理特征，如从凹痕到突起等，现在，有些方面已经开始应用Abdel-Aal的研究发现来改善依赖摩擦管理的一些系统性能。

来自美国哥伦比亚的合作研究者设计并测试了一个假肢髋关节表面，该表面由Abdel-Aal对皇家蟒蛇皮肤分析收集的摩擦学数据指导制备而成。基于Abdel-Aal及其合作者的工作，来自英国的研究人员正在开发用于钛加工的刀具表面纹理方案。这些具有生物启发性的刀片设计能够最大限度地减少工艺过程中的残余热量。德国工程师最近发表了一些关于蛇形缸套工作的文章，这些缸套允许表面无论向前还是向后移动都能减小摩擦。

Abdel-Aal一直在分享他的数据集，所以任何工程师都可以使用它们。但他也计划将它们构建成一套可无缝融入表面设计流程的算法。

Abdel-Aal在该论文中写道：“构建生物表面的目标比单纯复制生物纹理的目标更加广泛，更加有意义。本质上，它寻求的是将爬行动物表面的摩擦学益处扩展到人造工程表面领域。由于该领域仍然处在迅速发展阶段，所以，利益相关者之间需要经常进行更深入的研究合作，我相信这种生物学和摩擦学之间的共同合作将有效提供研究工作中所需要的跨学科交叉沟通”。



译者：Vince

译自：sciencedaily

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