Als je wilt weten hoe je een sneaker maakt met betere grip, vraag het maar aan een slang. Dat is de theorie die het onderzoek van Hisham Abdel-Aal aanstuurt, doctoraat, een universitair hoofddocent van het Drexel University's College of Engineering, die slangenhuid bestudeert om ingenieurs te helpen het ontwerp van gestructureerde oppervlakken te verbeteren, zoals cilindervoeringen van motoren, prothetische gewrichten - en ja, misschien zelfs schoeisel.

Abdel-Aal, een werktuigbouwkundig ingenieur met expertise in tribologie, de studie van wrijving, verzamelt en analyseert al bijna tien jaar slangenhuiden in een poging de manier waarop ze wrijving veroorzaken te begrijpen en te kwantificeren wanneer ze bewegen. In een onlangs gepubliceerd artikel in de Tijdschrift voor het mechanisch gedrag van biomedische materialen Abdel-Aal legt uit hoe deze 'natuurlijke gegevens' kunnen worden omgezet in het ontwerp van commerciële producten die slippen en plakken - een proces dat 'bio-geïnspireerde oppervlakte-engineering' wordt genoemd.

"De natuur heeft veel gebieden van techniek en ontwerp geïnformeerd, maar tribologie is een vakgebied dat enigszins over het hoofd is gezien als het gaat om leren van de natuur, "Zei Abdel-Aal. "Vooral slangen hebben ons veel te leren over het optimaliseren van slip en grip. Hun bestaan ​​is afhankelijk van de efficiëntie van beweging in zeer specifieke omgevingen. De slangen die we vandaag bestuderen, zijn het resultaat van een evolutionair proces dat de microstructuur van hun huid en hun lichaamsstructuur vanaf de eerste dag volledig heeft aangepast aan het bewegen en overleven in hun habitat. Deze omgevingen kunnen zelfs op onze meest geavanceerde machines brutaal zijn, dus het toepassen van wat we weten over slangentextuur kan onze technologie ook helpen zich aan te passen."

Maar luisteren naar de ontwerptips van de natuur vereist nogal wat vertaling. Abdel-Aal's werk op dit gebied wordt snel de standaard om ingenieurs te helpen het potentieel van slangwrijvingscontrole voor oppervlakteontwerp te ontsluiten.

Zijn meest recente onderzoek destilleert de textuurkenmerken van slangenhuid - afgeleid van het analyseren van 350 complete huiden die zijn afgeworpen van 40 verschillende soorten - en matcht ze met de standaardkenmerken van getextureerde industriële oppervlakken en suggereert hoe dit raamwerk kan worden gebruikt om "slimme oppervlakken" te synthetiseren met nieuwe wrijvingsvermogen.

Raad en controleer

Hoewel het een altijd aanwezige natuurkracht is die wetenschappers, ingenieurs en ontwerpers hebben eeuwenlang als achtergrondgeluid bestudeerd en ermee geworsteld, als het gaat om het daadwerkelijk uitoefenen van wrijving voor ons gebruik, blijft veel van ons moderne begrip gehuld in mysterie.

Een deel hiervan, Abdel-Aal suggereert, is omdat onze omgang met wrijving is geëvolueerd door constant te proberen het teniet te doen met smeermiddelen of het te maximaliseren met textuur, maar bijna altijd in het nastreven van aan-uit-doelen. Zodra dat specifieke doel is bereikt, of het nu gaat om een ​​motorzuiger een bepaalde hoeveelheid pk's te laten produceren, of een voetbalschoen die werkt op een modderig veld - het werk dat erin is gestoken, draagt ​​zelden bij aan een breder begrip van wrijving.

"Het ontwerpen van textuur wordt nog steeds gezien als een 'zwarte kunst' in de zin dat er momenteel een kloof bestaat tussen de beschikbare technologie voor het maken van textuur en een conceptueel textuur-ontwerpparadigma, " schreef hij in een recensie van functionele oppervlakken. Abdel-Aal merkt op dat een dergelijk begrip niet alleen de efficiëntie van deze specifieke ontwerpuitdagingen zou verbeteren, maar het zou ook kunnen inspireren tot een breder gebruik van wrijving bij het ontwerpen van nieuwe oppervlakken.

De gids die Abdel-Aal presenteert, haalt veel giswerk uit texturen en stelt ontwerpers in plaats daarvan bewuste keuzes te maken - ondersteund door input van de glibberige tribologie-experts.

Het patroon vinden

Om de elementen te onderscheiden die een slang zijn talent geven om wrijving te beheersen, Abdel-Aal analyseerde zijn voorraad huidmonsters tot in detail, en aandacht voor topografie, van een cartograaf die een kaart plot.

Zijn voorraad verharing begon met een paar monsters van vrienden met een koninklijke python en is met een beetje hulp van de Philadelphia Zoo en de Academie voor Natuurwetenschappen uitgegroeid tot enkele honderden.

Het is belangrijk om de huid te bestuderen zoals de slang die zou hebben gedragen, dus als Abdel-Aal een nieuw monster krijgt, weekt hij het eerst in water, om het duurzamer te maken, draait het dan met de goede kant naar buiten, aangezien de meeste slangen hun huid afschudden als een haastig verwijderde buissok.

Vervolgens monteert hij het op ruitjespapier en scant het om een ​​permanent record te creëren met een visueel referentiekader. Van daaruit kunnen hij en zijn onderzoeksmedewerkers beginnen met het maken van gedetailleerde metingen van de vorm en grootte van de schalen, en hun positionering, ten opzichte van elkaar en over het lichaam van de slang.

Eindelijk, hij onderzoekt de huid met een scanning-elektronenmicroscoop om een ​​beeld te krijgen van de microscopische kenmerken die de textuur creëren. Slangenschubben hebben onzichtbaar kleine, haarachtige structuren, fibrillen genoemd. Hoewel ze slechts een micron lang zijn - ongeveer 1/100e van de breedte van een mensenhaar - de fibrillen, en hoe ze aan de onderkant van de slang zijn gerangschikt, zijn de sleutel tot het vermogen om wrijving te genereren.

De positionering van de fibrillen, samen met de grootte, vorm, stijfheid, en verdeling van schubben creëren een uniek wrijvingsprofiel voor elke slang - en dat is wat Abdel-Aal heeft proberen vast te leggen en te catalogiseren.

Reverse-engineering slangen

Met de slangenhuid "in kaart gebracht" kan het team van Abdel-Aal de significante patronen van textuurkenmerken ontdekken die allemaal bijdragen aan het voortbewegen van de slang in zijn omgeving.

"Aanpassing aan lokale eisen vereist specialisatie in vorm, geometrie en mechanische eigenschappen van de huidbouwstenen, " zei hij. "De implicaties van aanpassing aan lokale omstandigheden zijn intrigerend omdat ze een locatie bieden voor het decoderen van elementen van oppervlakteontwerp in slangen - een dergelijk proces kan veel lessen opleveren die van toepassing zijn op het ontwerp van technologische oppervlakken."

Naast het categoriseren van patronen van schubben en fibrilverdeling over het lichaam van de slang, Abdel-Aals werk bundelt onderzoeksvolumes over de fysica van slangenbewegingen en metingen van de wrijvingskrachten die door de slangen worden uitgeoefend terwijl ze golven, glibberen, glijbaan en zijwind.

Door deze metingen te vergelijken met het textuurprofiel dat hij voor elke slang heeft gemaakt, Abdel-Aal kan de fysieke eigenschappen relateren aan hun impact op de mechanica van de slang.

Bijvoorbeeld, de schaaltextuur en musculatuur van grote slangen, zoals boa's en pythons is geoptimaliseerd voor rechtlijnige, of rechtlijnige beweging. Om dit type beweging te laten plaatsvinden, de slang tilt in feite een deel van zijn lichaam op en slingert naar voren door met delen van zijn schubben tegen de grond te duwen. Door goed naar deze delen van de slangenhuid te kijken, het is duidelijk dat er meer fibrillen zijn op de "duwende" delen van het lichaam van de slang, die voldoende wrijving creëren om het naar voren te laten glijden op de andere schalen.

Schalen naar punthaken

Om een ​​directe relatie te leggen tussen de huiden en de bewerkte oppervlakken, Abdel-Aal beoordeelde onderzoek naar oppervlakken met lasertextuur die een vergelijkbare microscopische inspectie en inventarisatie van oppervlaktekenmerken uitvoerden. Deze textuurtechnieken, zoals laser- en chemisch etsen, zandstralen, en afzetting, maak oppervlakken met zeer specifieke wrijvingsprofielen voor zaken als motorcilinders en hydraulische componenten in machines.

Maar ze delen een belangrijk detail met de textuur in de natuur.

"De basisbouwsteen in het geval van zowel slangenleer als gestructureerde oppervlakken is een textuurelement dat wordt herhaald in een array-distributie, ' schrijft Abdel-Aal. 'Spacing, lengte, oriëntatie en vorm van gebit is, in het algemeen, gemeenschappelijk voor een bepaalde familie van slangen. Gemanipuleerde oppervlakken, anderzijds, bevatten textuurbouwstenen zoals kegels, kuiltjes, en punthaken, verdeeld over het oppervlak. Daarom, beide soorten oppervlakken hebben een gemeenschappelijke constructieve oorsprong."

De belangrijkste fysieke kenmerken van de gestructureerde oppervlakken zijn microscopisch kleine kanalen, kuiltjes en uitsteeksels, die zijn opgesteld om consistente wrijving in een gesmeerd systeem te garanderen. Ingenieurs beschrijven oppervlaktestructuren in termen van het gemiddelde van de metingen van deze kenmerken. Dus "ruwheid" zou worden gekwantificeerd door het gemiddelde te nemen van de hoogte van de uitsteeksels, het berekenen van de totale oppervlakte die ze bestrijken, of het bepalen van hun slankheid door de hoogte van het uitsteeksel te vergelijken met het gebied van zijn basis.

Microscopische metingen van de textuurkenmerken van de slangenhuid stellen Abdel-Aal in staat om de directe relatie tussen fibrillen en uitsteeksels te maken. Dus dezelfde ruwheidsmetingen kunnen worden toegepast op de slangen door simpelweg de fibrilhoogte te berekenen, slankheid en algemene verdeling op de weegschaal.

Deze doorbraak, Abdel-Aal beweert, maakt het mogelijk om de functionele patronen van een slang op gemanipuleerde oppervlakken te integreren om texturen met voorspelbaar gedrag te creëren.

Tractie krijgen

"Om bio-geïnspireerd oppervlakteontwerp effectief te laten zijn, we moesten een gemeenschappelijk vocabulaire ontwikkelen om texturerende kenmerken te beschrijven", schrijft Abdel-Aal. "We ontdekten dat drie hoofdparameters breed leken te vertalen tussen de uitsteeksels en kuiltjes van gestructureerde oppervlakken en de fibrillen van slangenhuid:totale oppervlakte van het kenmerk, functie-tot-oppervlak verhouding, uitsteeksel / hoogte en hoogte-tot-basis verhouding."

Bij het classificeren van de slangenhuiden volgens deze maatregelen, er ontstond een interessant patroon. Veel van de "aanbevolen textuurverhoudingen" die onderzoekers hebben gevonden door de productie en het testen van gemanipuleerde oppervlakken zijn dezelfde die al in slangen bestaan.

"Het is opvallend dat technisch onderzoek in de afgelopen 25 jaar tot dezelfde ontwerpoplossing is gekomen, in termen van aanpassing van oppervlaktekenmerken om de efficiëntie van beweging te bevorderen, dat slangen zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld, "Zei Abdel-Aal. "Hoewel het betekent dat ingenieurs waarschijnlijk tot het juiste antwoord zijn gekomen, het suggereert ook dat gegevens van het bestuderen van slangen ons veel efficiënter naar die conclusies zouden kunnen leiden, waardoor de ontwikkeling van nieuwe paradigma's voor oppervlakteconstructie die kunnen profiteren van de snel evoluerende productietools, wordt versneld."

Nu het werk van Abdel-Aal ingenieurs in staat stelt om oppervlakte- en slangkenmerken te vergelijken - kuiltjes met kuiltjes - zijn sommigen al begonnen het toe te passen om de prestaties te verbeteren van systemen die afhankelijk zijn van zorgvuldig wrijvingsbeheer.

Medewerkers in Colombia ontwierpen en testten een oppervlak voor een prothetisch heupgewricht op basis van de tribologische gegevens die zijn verkregen uit Abdel-Aal's analyse van de huid van Royal Python. Gebaseerd op het werk van Abdel-Aal en zijn medewerkers, onderzoekers in het VK ontwikkelen textureringsschema's voor gereedschapsinzetstukken die worden gebruikt bij het droog machinaal bewerken van titanium. Deze bio-geïnspireerde inzetstukontwerpen maximaliseren de wrijving terwijl de restwarmte in het proces wordt geminimaliseerd. En Duitse ingenieurs hebben onlangs werk gepubliceerd over op slangen geïnspireerde cilindervoeringen die ervoor zorgen dat de oppervlakken wrijving minimaliseren, of deze nu naar voren of naar achteren beweegt.

Abdel-Aal heeft zijn datasets gepubliceerd, zodat technici ze kunnen gebruiken. Maar hij is ook van plan om ze in te bouwen in een algoritme dat naadloos in het oppervlakteontwerpproces zou kunnen passen.

"Het bouwen van bio-geïnspireerde oppervlakken heeft een breder doel dan alleen het repliceren van biotextuur. het probeert de potentiële tribologische voordelen van reptielenoppervlakken uit te breiden tot het domein van door mensen ontworpen oppervlakken, Abdel-Aal schrijft in het tijdschrift. "Hoewel het veld zich snel ontwikkelt, is er een dringende behoefte aan meer diepgaande samenwerking tussen gemeenschappen van belanghebbenden. Ik geloof dat deze gemeenschappelijke taal tussen biologie en tribologie de onderlinge communicatie mogelijk zal maken die nodig is voor deze samenwerking."