Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Молотый кофе стал основой универсальной фрикционной площадки

Halvor Tramsen et al. / Advanced Materials Interfaces, 2020

Инженеры из Германии и Украины создали универсальную фрикционную площадку, создающую высокую силу трения при контакте с разными поверхностями, в том числе гладкими и шероховатыми. Она состоит из полимерной мембраны и молотого кофе. В обычном состоянии кофе ведет себя как сыпучее тело и вместе с мембраной заполняет все углубления в поверхности, а при приложенном давлении кофе превращается в твердое тело и не дает смещать площадку относительно поверхности. Статья опубликована в журнале Advanced Materials Interfaces.

Проблема устройств, создающих сцепление с поверхностью, заключается в том, что поверхности могут иметь шероховатую или гладкую структуру, для сцепления с которой нужны разные механизмы. К примеру, в последние годы ученые создали множество искусственных аналогов лапки геккона с очень большой адгезией к гладким поверхностям, возникающей из-за сил Ван-дер-Ваальса, и уже существует серийная версия такого манипулятора. Для неровных поверхностей обычно применяют контактные площадки со своими неровности. Например, в NASA создали по такому принципу робота-скалолаза с множеством игл, которые могут подстраивать свое положение под небольшие выступы и углубления скал.

Немецко-украинская группа инженеров при участии Станислава Горба (Stanislav Gorb) создала адаптивную контактную площадку, способную подстраиваться под рельеф поверхности и работающую в том числе с полностью гладкими поверхностями. За основу инженеры взяли аналог эффекта фазового перехода, наблюдаемый в сыпучих телах. В обычном состоянии сыпучее тело ведет себя отчасти подобно жидкости, «растекаясь» без сдерживающих сил. Однако если сыпучую среду ограничить и приложить к ней давление, она станет вести себя подобно твердому телу, которое уже не так легко деформировать.

Ранее этот эффект уже использовали в роботизированных захватах другие инженеры, но тогда для перехода между состояниями они использовали вакуум. Новая разработка обходится без этого и ей достаточно лишь прижимающей силы площадки для затвердевания сыпучей части. Она состоит из круглой полимерной мембраны толщиной 0,45 миллиметра и молотого кофе с диаметром большинства частиц в пределах 250-500 микрометров. Мембрана зафиксирована жестким кольцом на пластине.

Инженеры провели эксперименты по измерению силы трения с тремя разными поверхностями: плоской, шероховатой и покрытой небольшими камнями. Кроме того, они сравнили в таких же условиях образцы из того же полимера и с таким же радиусом, но выполненные из единого монолитного куска материала в виде полусферы и цилиндра. Инженеры прикладывали площадку или монолитные образцы к поверхности и прикладывали определенную нормальную к поверхности силу до 19,36 ньютона, и сдвигали площадку вбок с определенной скоростью, измеряя возникающую при этом силу трения.

Выяснилось, что новое устройство создает бо́льшую силу трения, чем монолитные образцы из того же материала, что и мембрана, за исключением цилиндрического плоского образца на гладкой поверхности. При это его сила трения была лишь немного выше (примерно 38-39 против 36 ньютонов), а при фиксации образца на поверхности возникает демормация, которая приводит к искривлению его поверхности, из-за чего адгезия снижается. Сила трения новой фрикционной площадки составила около 36 ньютонов на гладкой поверхности, около 30 ньютонов на гладкой поверхности с посторонними предметами и около 21 ньютона на шероховатой поверхности.

Инженеры считают, что за свойства площадки отвечает несколько механизмов, относящихся к сыпучей части и мембране. Сыпучая часть создает силу трения благодаря механическому взаимному сцеплению частиц между собой, а также диссипации части энергии из-за высокого трения между частицами кофе. Мембрана также вносит вклад в суммарную силу трения благодаря адгезии, а также своей деформации.

Недавно китайские инженеры разработали универсальную присоску, работающую даже на шероховатых поверхностях. Она представляет собой круг с водой, которая разгоняется лопастями, скапливается на краях и заполняет углубления в поверхности водой. В центре устройства находится насос, который создает прижимающую силу. Разработчики продемонстрировали эффективность устройства, собрав два прототипа и забравшись с их помощью вверх по бетонной стене здания.

Григорий Копиев



Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.