Но только около 15 лет назад, когда исследователи смогли окончательно приписать силу адгезии геккона наноразмерным нитям в пальцах ног геккона, практические возможности биомимикрии на микроскопических уровнях всерьез захватили воображение исследователей.
Теперь команда под руководством Lehigh сотрудничает с Michelin Corporation и Национальным научным фондом в разработке материалов с поверхностной архитектурой, которые могут повысить безопасность и надежность шин. Программа грантовых возможностей NSF для академических связей с промышленностью (GOALI) предназначена для того, чтобы позволить фирмам, так сказать, «надрать шину» в отношении академических исследований, которые могут оказать существенное влияние на их отрасль и общество в целом.
Ананд Ягота, профессор химической и биомолекулярной инженерии и директор биоинженерной программы Lehigh, около трех десятилетий был ведущим исследователем в области биоматериалов, биомеханики и нанобиотехнологии; до прихода в Lehigh он занимался аналогичными исследованиями в DuPont Corporation.
На протяжении своей карьеры он уделял большое внимание применению биомиметики для улучшения адгезионных и механических свойств резиноподобных материалов.
Джагота, его команда недавно опубликовала статью в журнале Nature Publishing Group Scientific Reports, в которой описывается их работа по созданию новых био-вдохновленных пленочных структур с уникальными характеристиками трения, которые могут иметь положительные промышленные последствия, среди прочего, для шин. Статья «Сильно модулированное трение в структуре гребневого канала с окончанием пленки» была написана в соавторстве с Джаготой и ведущим автором Чжэньпин Хэ вместе с Ин Баем, Чун-Юэн Хуэй из Корнельского университета и Бенджамином Леврардом, исследователем из Michelin Corporation.
Биомиметическая работа Яготы и Хуэя привлекла внимание Мишлен, когда несколько лет назад на конференции во Франции были представлены первые результаты, и сейчас сотрудничество идет полным ходом.
Что касается шин, существует классическая головоломка производительности между тяговым усилием, сроком службы шин и топливной экономичностью. Улучшение одного качества почти всегда ухудшает другое.
Дизайн природы в работе на шоссе
Улучшение одного качества почти всегда ухудшает другое.
«Высококачественные шины сводят к минимуму сопротивление качению, что повышает топливную экономичность, одновременно увеличивая трение скольжения, что в основном помогает быстро тормозить», – говорит Ягота. "Чтобы увеличить трение скольжения, в настоящее время в шинах используются конструкции миллиметрового размера, которые обеспечивают сцепление с дорогой и отвод воды.
Мы работаем над созданием структур в микромасштабе, которые улучшат трение и контроль адгезии."
Вместо того, чтобы подражать волосатым фибриллам, украшающим пальцы ног геккона, Джагота и его коллеги обращают внимание на гладкую поверхность подушечек на лапах кузнечиков или лягушек.
В преддверии текущего исследования команда разработала тонкую пленку, состоящую из массива крошечных столбиков на поверхности подложки.
«Мы разместили эти столбы или стойки в виде шестиугольника и покрыли их тонким покрытием, которое позволило им плотно контактировать с шероховатыми поверхностями и значительно усилило статическое трение», – говорит Ягота. "Перетаскивание пленки в любом направлении обеспечивало одинаковое трение. Но шины не требуют одинаковых свойств во всех направлениях, поэтому мы выбрали массив параллельных гребней.
Мы полагали, что это обеспечит большее сопротивление поперечному движению пленки и большее трение скольжения."
Они были правы, но масштабы результатов удивили команду. Параллельные выступы создали поверхность, на которой «хорошее» боковое трение скольжения значительно увеличилось.
«Это было самым неожиданным: в геометрии гребня-канала пленка значительно улучшила трение скольжения, в три или четыре раза», – говорит Ягота.
В ходе эксперимента исследователи создали пленку из резиноподобного материала, которая имела ряды равномерно расположенных параллельных гребней, покрытых тонким верхним слоем. Разложив пленку, в пленку вдавливали стеклянный шарик и протащили по нему в направлении, перпендикулярном гребням.
По словам команды, повышенное трение скольжения связано с чрезмерным искривлением гребней.
Под давлением сферы гребни растягивались и поднимались друг на друга, создавая обширные области поверхности и внутреннего контакта. Это внутреннее скольжение позволило высвободить нежелательную энергию. Кроме того, упругая энергия, которая была поглощена во время искривления, затем высвобождалась, когда гребни возвращались к своей нормальной форме.
Результаты многообещающие.
Повышенное трение скольжения может улучшить сцепление шины с дорогой, так как поступательная энергия высвобождается с поверхности шины и рассеивается в виде безвредного тепла и звуковых волн. При отсутствии соразмерного увеличения адгезии сопротивление качению не должно заметно увеличиваться.
Грант NSF GOALI будет финансировать текущие усилия команды в течение трех лет.
«Это уже было очень плодотворное сотрудничество, – говорит Ананд. «Мы все еще находимся на начальной стадии, но совместная поддержка со стороны Michelin и NSF позволяет нам использовать природные конструкции на автомагистралях."