Een onderzoeksteam onder leiding van CU Boulder heeft een nieuw soort synthetische "huid" ontworpen die zo glad is als de schubben van een slang.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces , lost een ondergewaardeerd probleem in de techniek op:wrijving.

Yifu Ding, senior auteur van het nieuwe artikel, legde uit dat elke dag, machines, van robots tot auto's, verliezen enorme hoeveelheden energie, simpelweg omdat hun onderdelen tegen elkaar wrijven. Om dat verlies te beperken, hij en zijn collega's namen aanwijzingen uit de natuur, in het bijzonder zijn meest glibberige leden.

"Het lichaam van een slang is zacht genoeg om zichzelf in allerlei vormen te kunnen draaien, " zei Ding, een professor in de Paul M. Rady afdeling Werktuigbouwkunde. "Het kan ook heel snel bewegen als het moet, gedeeltelijk omdat de huid zo'n lage wrijving heeft."

In hun laatste onderzoek, de onderzoekers ontwikkelden een tool genaamd solid-liquid interfacial polymerization (SLIP) waarmee ze een dunne laag huid op bestaande oppervlakken zoals rubber of rekbare materialen, elastomeren genaamd, kunnen leggen. Die laag lijkt veel op de schubben van een slang en kan een anders plakkerig oppervlak veranderen in een slipgevaar.

De technologie kan een zegen zijn voor machines die wrijving bestrijden, maar niet kunnen verdragen dat ze nat worden.

"Er zijn veel nieuwe technische toepassingen, zoals zachte robots of draagbare sensoren, waar je deze traditionele vloeibare smeermiddelen niet kunt gebruiken, "Zei Ding. "Integendeel, je moet het oppervlak zelf aanpassen."

Dat kan nu, dankzij de vaak gehate slang.

Wat zit er in een schaal?

slangen, van gestreepte kousebandslangen tot felgroene klimplanten, veel van hun succes te danken hebben aan hun weegschaal. Als je een van deze kleine structuren onder een microscoop legt, je zult merken dat ze bestaan ​​uit vele lagen weefsel die op elkaar zijn gestapeld.

"De bovenste laag is als keratine, waar onze vingernagels van gemaakt zijn, "Zei Ding. "Het is erg broos en stijf. Dan gaat de schaal geleidelijk over naar een veel zachter materiaal eronder."

Die combinatie van hard op zacht geeft slangen hun voorsprong, hen helpen om hun wrijving laag te houden en toch flexibel te blijven. Het is ook de functie die Ding en zijn collega's in het laboratorium wilden repliceren.

De groep begon met een basis gemaakt van polydimethylsiloxaan (PDMS), een elastisch materiaal dat in veel medische technologieën wordt gebruikt. De onderzoekers gebruikten vervolgens de SLIP-techniek om een ​​dunne, schaalachtige laag synthetisch materiaal op die fundering.

De methode, Ding uitgelegd, werkt door kleine moleculen te mengen tot een vloeistoffilm, dan licht gebruiken om ze uit de suspensie te laten vallen - een beetje zoals erwten die naar de bodem van een kom soep zinken. Eenmaal daar, die bouwstenen infiltreren het PDMS en vormen een hybride huidlaag.

Dit resulteert in het laboratoriumequivalent van slangenleerlaarzen.

"Niets blijft hangen, "zei Ding. "Je kunt het aanraken, en je vinger glijdt weg."

Uitglijden en glijden

Om te bewijzen hoe slangachtig hun uitvinding is, hij en zijn collega's, waaronder Mengyuan Wang, die onlangs haar Ph.D. van CU Boulder - voerde een reeks schijnbaar eenvoudige tests uit. De groep hechtte gewichten aan zowel de hybride als de normale PDMS, leg ze vervolgens op verschillende schuine vlakken.

Het met slangenleer behandelde PDMS van het team gleed zelfs van lichte hellingen af, Wang zei, terwijl het gewone materiaal niet bewoog.

"PDMS is echt plakkerig, " zei Wang. "Zelfs als je het helemaal ondersteboven draait, het zal nog steeds aan oppervlakken blijven kleven."

De slangenhuid van het team heeft dezelfde wrijvingsniveaus als veel keramische materialen en glanzende metalen, de groep gevonden. Ding voegde eraan toe dat de SLIP-methode wendbaar genoeg is om deze huid in elk patroon neer te leggen, inclusief in vormen die woorden spellen.

De groep heeft nog veel werk voor de boeg voordat het zijn gladde oppervlak op echte robotgewrichten kan gaan aanbrengen. Maar het onderzoek is nog een reden om een ​​vriendelijke slang te bedanken.

"Als we nieuwe materialen ontwerpen, we weten niet altijd wat voor soort structuur we moeten maken, " zei Ding. "Maar als er een voorbeeld in de natuur is, het is al bewezen dat het kan werken, dus we kunnen dat gewoon nabootsen."