“接地氣”的仿生研究!MIT發明新型防滑鞋底,登上《Nature》子刊!

“接地氣”的仿生研究!MIT發明新型防滑鞋底,登上《Nature》子刊!

如何防止滑倒摔跤?這是一個與人們生活息息相關的科學問題。每年都有大量的人因為滑倒導致不同程度的受傷,從而影響正常生活。尤其對於老年人而言,摔跤甚至可能意味著生命的結束。正是這樣一個“接地氣”的問題,引起瞭仿生領域科學傢的註意,試圖通過鞋底材料的仿生設計來解決問題。

“接地氣”的仿生研究!MIT發明新型防滑鞋底,登上《Nature》子刊!

【研究成果】

近日,美國麻省理工學院Giovanni Traverso團隊受自然界中動物千奇百怪的行走方式的影響,包括使用爪子(貓科動物、鳥類)、鱗片(蛇類)等,利用玲瓏精巧的剪紙藝術,開發出一種可以動態調節與地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底材料。該工作發表在自然雜志子刊《Nature Biomedical Engineering》上,題為:“Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips”。

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【圖文解析】

1.Kirigami鞋底的設計原理。

在自然界中,動物有多種策略來增加抓地力,提高生存能力。例如獵豹的半伸縮爪,啄木鳥的反相抓扣的鋒利爪子以及蛇類的同向排列鱗片(圖一a)。Kirigami是日本折紙的一種藝術形式,具有空間上的可變性,其樣式變化的靈感被廣泛地應用於各類 “超材料” 的設計制備中。在本報道中,作者們使用鋼片在鞋底制備出kirigami結構(圖一b),這種結構可以在鞋底平放和彎曲變形時變換出不同的外形。簡而言之,在步行過程中,通過改變鞋底的曲率來激活 “kirigami鞋釘” ,以增強鞋釘與步行表面之間的摩擦性能,並降低滑倒和摔倒的風險。

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2.Kirigami鞋底不同鞋釘形狀的機械設計。

通過對切角(γ)和空間維度比(切片寬度δ與周期性柵格的特征長度l之比)的調控,作者們設計瞭不同機械響應模式的kirigami圖案,包括凹型、三角型和凸型三種鞋釘形狀。圖二a展示瞭這三種結構受到不同面內單軸應變(ε22)時的單元變化的數字模擬快照。圖中色塊變化表示最大主塑性應變的分佈。可以發現,施加的形變量觸發瞭屈曲不穩定性,從而導致三種圖案模式都出現峰角屈曲和彈出。此外,如圖二b所示,對於20°< γ <60 °和0.05<δ/l<0.2這個范圍而言,可以觀測到不同鞋釘結構的翹起角度隨著面內單軸應變(ε22)變化而變化。圖中虛線位置可以看出,在面內應變達到0.15時,鞋釘可以翹起約30°。對γ=30°,δ/l=0.06,0.1和0.15的三種鞋釘形狀的kirigami表面進行有限元模擬可以發現(圖二c),當被拉伸到正常步態時的最大拉伸應變(ε22=0.15)後與硬板接觸時,δ/l=0.15的結構表面可以帶來鞋釘翹起部分的最大硬度。

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3.鞋釘的形狀和排佈對kirigami鞋底的摩擦增強效果。

作者們隨後對三種形狀的鞋釘(凹型、三角型、凸型)在常態和彎曲時(圖三a)與不同基底(冰面、乙烯基基底和硬木)的摩擦力進行表征。對於冰面和硬木而言,由於kirigami鞋釘穿透深度較淺,其摩擦模式為平滑模式,即達到靜態摩擦力的峰值後維持在動態摩擦力的平臺期。而對於乙烯基這樣的半硬基底,鞋釘穿透進基底而呈現出粘滑模式,即摩擦力在最大值和最小值之間周期性變化(圖三b)。不同形狀的鞋釘在不同基底上的規律也不盡相同,這與其穿透能力有關。此外,相對於具有同樣厚度同樣材質的常規鞋底,所有kirigami結構都具有明顯的抓地力優勢(圖三c)。與此同時,鞋釘的排佈方式也至關重要,凹面鞋釘的五種不同排佈(單向、三列、交替行、方格和鏡像)都呈現出不同的抓地效果(圖三d、e、f)。

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4.人體實測行走時kirigami鞋底與地面摩擦力。

作者最後進行瞭常規步幅行走時的鞋底摩擦力的真人測試(圖四a)。通過腳下的力學感應器分別測試腳底三個正交方向的力值變化(Fx表示前進方向、Fy表示橫向、Fz表示人體豎直方向上的力),其中橫向力幾乎為零。相同的志願者保證法向力相同,與商品鞋底和對比組相比,kirigami鞋底展現出更強的最大摩擦力(圖四b)。此外,五種不同排佈方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系數都接近是多種商品鞋底的兩倍。

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【總結展望】

目前,作者們正在研究如何更好地附著和融合這種kirigami鞋底。他們正在考慮將其嵌在鞋體下,或者將其設計成一個單獨的元素,以便在需要時進行附加。他們也在探索使用不同材料的可能性,例如帶有加強鋼尖端的橡膠聚合物。雖然研究人員最初的動機是防止在結冰的表面上打滑,但他們預計這種鞋夾在其他環境下也會有用,比如潮濕或油性的工作環境。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41551-020-0564-3#Sec16

文檔如下:

Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips

Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips

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