2016年11月11日 星期五 09:15:33
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“接地氣”的仿生研究!MIT發明新型防滑鞋底

發表時間:2020/8/4

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。尤其對于老年人而言,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,引起了仿生領域科學家的注意,他們試圖通過鞋底材料的仿生設計來解決問題。



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,利用Kirigami折紙藝術,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。

在本研究中,研究人員使用鋼片在鞋底制備出kirigami結構,其可以在鞋底平放和彎曲變形時變換出不同的外形,以增強鞋釘與步行表面之間的摩擦性能,降低滑倒和摔倒的風險。



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,研究人員設計了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。并通過對三種形狀的鞋釘(凹型、三角型、凸型)在常態和彎曲時與不同基底(冰面、乙烯基基底和硬木)的摩擦力進行表征。對于冰面和硬木而言,由于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后維持在動態摩擦力的平臺期。而對于乙烯基等的半硬基底,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。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,相對于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。與此同時,鞋釘的排布方式也至關重要,凹面鞋釘的五種不同排布(單向、三列、交替行、方格和鏡像)都呈現出不同的抓地效果。



最后,研究人員進行了常規步幅行走時的鞋底摩擦力的真人測試。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,并與商品鞋底進行對比發現,kirigami鞋底展現出更強的最大摩擦力。此外,五種不同排布方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系數比多種商品鞋底的摩擦系數高兩倍。



目前,研究人員正在研究將其設計成一個單獨的元素,嵌在鞋體下,以便在需要時進行附加。


論文題目:Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips

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

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