Группа исследователей под руководством Университета штата Колорадо в Боулдере (CU Boulder) разработала новый вид синтетической «кожи». Она скользкая, как чешуя змеи. Исследование, опубликованное в журнале Applied Materials & Interfaces, посвящено недооцененной проблеме инженерии: трению.

Каждый день различные машины — от роботов до автомобилей — теряют огромное количество энергии просто потому, что их части трутся друг о друга. Чтобы уменьшить эти потери, Ифу Динг (Yifu Ding), старший автор новой статьи и его коллеги воспользовались подсказками природы и обратили внимание на змей.

«Тело змей достаточно мягкое, чтобы принимать самые разные формы, — объясняет Динг, профессор факультета машиностроения в CU Boulder. — Также змеи двигаются очень быстро, если это необходимо. Отчасти из-за свойств их кожи».

В своем последнем исследовании ученые разработали инструмент межфазной полимеризации твердое тело — жидкость (SLIP). Он позволяет им накладывать тонкий слой кожи на существующие поверхности — эластомеры. Например, на резину. Этот слой очень похож на чешую змеи и может превратить липкую поверхность в скользящую. Технология пригодится для машин, которые не переносят намокания.

Есть много новых инженерных приложений, например, мягкие роботы или носимые датчики, где нельзя использовать эти традиционные жидкие смазочные материалы. Поэтому ученые придумали изменить саму поверхность. Теперь это возможно благодаря змеям.

Змеиные чешуи вблизи. Предоставлено: Pixabay.

Своим скольжением змеи во многом обязаны чешуе. Если поместить одну из этих небольших структур под микроскоп, можно заметить, что они состоят из множества слоев ткани, уложенных друг на друга. Верхний слой похож на кератин, из которого сделаны ногти человека. Он очень хрупкий и жесткий. Затем чешуя постепенно переходит на более мягкий материал внизу. Такую комбинацию твердого поверх мягкого дает змеям преимущество, помогая им сохранять низкое трение, оставаясь при этом гибкими. Именно эту функцию ученые хотели воспроизвести в лаборатории.

Синтетическая «кожа» в стиле змеиной кожи под микроскопом. Предоставлено: лаборатория Динг.

Группа начала с основы, сделанной из полидиметилсилоксана (ПДМС), эластичного материала, распространенного во многих медицинских технологиях. Затем исследователи применили технику SLIP, чтобы нанести на эту основу тонкий чешуйчатый слой синтетического материала. Метод работает путем смешивания небольших молекул с пленкой жидкости, а затем с помощью света, заставляющего их выпасть из суспензии. Потом строительные блоки проникают в ПДМС и образуют гибридный скин-слой. В результате получается лабораторный эквивалент сапог из змеиной кожи.

Группе ученых предстоит еще много работы, прежде чем она сможет начать применять свою скользкую поверхность к суставам настоящих роботов.