分析蛇皮优化变形设计的表面

运动鞋,甚至更好的牵引在雨中可以通过从蛇。这是背后的概念的研究Hisham abdel aal,博士学位,教授副教授德雷塞尔大学的工程学院一直分析蛇的皮肤帮助工程师提高纹理表面的设计,如假体关节和发动机汽缸衬垫和甚至鞋子。

作为试图理解和量化的一部分蛇时产生摩擦的方式移动,abdel aal,机械工程师专家在摩擦学(摩擦)的研究,收集和研究蛇皮肤近10年。abdel aal描述过程——被称为“仿生表面工程”——移植“自然数据”为商业产品的设计,滑棒,在最近发表的一篇论文生物医学材料的力学行为杂志》上亚博网站下载。

自然已经通知工程和设计的许多领域,但摩擦学的研究领域,已经有点被忽视时,向自然学习。特别是蛇有很多教我们关于优化滑和控制。它们的存在是依赖于非常具体的环境中运动的效率。我们今天学习的蛇都是进化过程的结果,它已经完全适应了他们的皮肤和身体结构的微细结构移动从一开始就和生存的栖息地。这些环境可以残酷甚至我们最先进的机械,所以应用我们知道蛇纹理可以帮助我们的技术调整。

Hisham abdel aal

然而,感知设计来自自然界的线索,大量的解释是必要的。abdel aal在这个领域的研究正迅速发展的标准,协助工程师发掘蛇摩擦控制表面设计的能力。

在他最新的研究中,结构特点,snakeskin-collected通过分析350年完整的蛇皮肤摆脱从40独特物种的标准属性提取和匹配工业表面纹理,和建议在使用这个框架提供了发展与创新的“智能表面”摩擦的能力。

想和检查

尽管事实上,它是一个持续的自然之力,工程师,科学家,和设计师分析和处理背景噪音更年了,至于实际上操纵摩擦各种用途的问题出现时,我们的许多当代知识仍然是模糊的。

abdel aal表示,这在一定程度上是由于这一事实我们控制摩擦已经连续使用润滑剂试图取消它或增加它与texture-however几乎总是断断续续的追求目标。在实现特定的目标,比如做一个足球夹板在泥泞的田野工作,或发动机活塞来生成一个特定数量的马力——的努力几乎没有摩擦有助于获得了广博的知识。

”结构设计仍被视为的“魔法”效应,目前存在一个差距可以使纹理技术和概念texture-design范例在回顾功能表面,”他写道。

根据他的说法,除了提高效率的这些特定的设计挑战,这种洞察力摩擦也可以鼓励广泛的应用在设计创新的表面。提出的指导abdel aal需要大量的猜测了变形而使设计师做出深思熟虑的选择,支持从滑行输入摩擦学专家。

发现的模式

为了识别的元素提供一个蛇的能力管理摩擦,abdel aal检查他收藏的皮肤样品的细节,考虑地形、地图制图师的情节。

他收藏的皮肤开始少量的样本来自朋友与皇室python和增加了数百一点援助从费城动物园和自然科学院。亚博老虎机网登录

因为它是至关重要的,分析皮肤穿的是蛇,每当abdel aal收到新样品,这是第一次浸泡在水中呈现更耐用。随后,转右,因为大多数的蛇的蜕皮类似赶紧删除管袜子。

下一步,它被安装在一个图形纸和扫描制作永久性记录视觉的参照系。在这之后,他和他的同事们可以开始相关详细的测量尺度的大小和形状,以及它们的定位,对彼此和蛇的身体。

最后,用扫描电子显微镜研究皮肤生成一个图像的微观特性,其结构形式。小,毛发状结构,称为纤维,发现蛇鳞片。虽然他们的长度是1μm(即近1/100^th人类头发的宽度)纤维,和它们的位置在底部的蛇,是至关重要的,其潜力产生摩擦。

除了形状、大小、分布和刚度的尺度,原纤维形成一个独特的摩擦概要的安排为每个snake-Abdel-Aal一直在努力准确地捕捉和目录。

逆向工程的蛇

通过“映射”蛇皮,Abdel-Aaland同事可以识别所有重要的纹理属性模式帮助蛇沿着在其环境。

适应当地的需求需要专业化的形状,几何和力学性能皮肤的构建块。适应当地条件的影响是有趣的,因为它们提供一个场所解码表面的元素设计的蛇——这样一个过程有可能产生许多教训适用于表面的设计技术。

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除了分类模式的尺度和原纤维分布有关蛇的身体,abdel aal的研究产生大量的研究蛇背后的物理运动和磨擦力的大小由蛇波动时,滑,滑动,不正当的。

abdel aal可以交叉引用这些测量纹理的简介,他对每一个蛇能够连接物理特征对蛇的机制的影响。

例如,大型蛇的肌肉组织和规模结构(如和蟒蛇)已经优化了直线,或直线运动。能够执行这种类型的运动,身体的一部分是主要由蛇了,它突然向前推动对地上部分的尺度。关闭这些部分的皮肤显示,有更多的纤维的“推动”部分,蛇的身体,产生足够的摩擦力使它向前滑动尺度。

天平徽章

直接相关的工程表面和皮肤,abdel aal回顾相关研究laser-textured表面相似的微观表面特性进行检验和库存。喷砂,这些纹理疟蚊的方法——例如沉积和化学和激光蚀刻-发展与特别的摩擦表面配置文件等物品在机械和液压元件发动机气缸。

然而,他们分享一个重要的细节纹理中观察到的自然。

的基本构建块蛇皮和变形设计的表面是一个数组中重复的结构元素分布。小齿的间距、长度、方向和形状,在一般情况下,常见的蛇一个特定的家庭。工程表面,另一方面,功能结构构件如锥,酒窝,和锯齿状,分布在表面。因此,这两种类型的表面共享一个公共建筑的起源。

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的主要物理属性质感的表面突起,酒窝,和微观通道排列来保证稳定的摩擦润滑系统。工程师表面纹理描绘成这些属性的测量值的平均值。因此,量化的“粗糙度”是由平均突起的高度,确定他们的长细比较突出的高度和基地的面积,或通过计算被他们占领的总面积。

abdel aal能够直接与原纤维和突起通过显微镜测量蛇皮的纹理属性。因此,可以应用相同的粗糙度措施蛇通过简单计算原纤维细长,高度,和整体尺度上的分布。

根据abdel aal,进步,可以把一条蛇在工程表面的功能模式开发纹理和可预测的功能。

获得牵引

”仿生表面设计是有效的,我们需要开发一个公共的词汇表来描述纹理特征,”abdel aal写道。”我们发现三个主要参数似乎翻译之间的广泛的突起和酒窝蛇皮的纹理的表面和纤维:总面积的特性,feature-to-surface比例,突出/高度和height-to-base比率”。

一个吸引人的模式物化当蛇皮肤分类按照这些措施。多数研究人员发现的“推荐纹理比率”的生产和测试工程表面是相同的那些已经存在于蛇。

”让人吃惊的是,工程研究在过去的25年里来到相同的设计解决方案,定制的表面特征,促进运动的效率,蛇已经进化了数百万年”,表示abdel aal。”虽然意味着工程师有可能到达正确的答案,它也表明,数据从研究蛇可以引导我们这些结论更efficiently-thus加速新表面建设的发展模式,可以利用快速发展的生产工具”。

abdel aal以来的研究已经使工程师比较蛇和表面characteristics-dimples dimples-some他们已经开始使用它来提高系统的性能依赖于审慎管理摩擦。

从哥伦比亚合作者开发和研究的表面髋关节假体的帮助下摩擦学的数据收集从abdel aal皇家蟒蛇皮的调查。从abdel aal和他的同事的研究,科学家在英国创建纹理计划工具插入申请干加工钛。这种仿生插入设计减少流程中的余热和最大化的摩擦。此外,来自德国的工程师最近报道的一项研究snake-inspired汽缸衬垫,使表面减少摩擦,同时向前或向后移动。

abdel aal发表了他的数据集来帮助工程师使用它们。然而,他还打算发展成一个算法能够顺利融入设计过程。

”构建仿生表面有一个广泛的目标不仅仅是复制bio-texturing。从本质上说,它旨在扩展摩擦学的潜在的益处爬行动物表面的领域的工程化的表面”abdel aal在日记里写了。”尽管这个领域迅速发展迫切需要更深入社区利益相关者之间的合作。我相信这种生物学和摩擦学之间的共同语言交流将使这种合作的必要条件”。