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“接地气”的仿生研究!MIT发明新型防滑鞋底

发表时间:2020/8/4

如何防止滑倒摔跤?这是一个与人们生活息息相关的科学问题。每年都有大量的人因为滑倒导致不同程度的受伤,从而影响正常生活。尤其对于老年人而言,摔跤甚至可能意味着生命的结束。正是这样一个“接地气”的问题,引起了仿生领域科学家的注意,他们试图通过鞋底材料的仿生设计来解决问题。



近日,美国麻省理工学院Giovanni Traverso团队受自然界中动物千奇百怪的行走方式的影响,利用Kirigami折纸艺术,开发出一种可以动态调节与地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底材料。

在本研究中,研究人员使用钢片在鞋底制备出kirigami结构,其可以在鞋底平放和弯曲变形时变换出不同的外形,以增强鞋钉与步行表面之间的摩擦性能,降低滑倒和摔倒的风险。



通过对切角(γ)和空间维度比(切片宽度δ与周期性栅格的特征长度l之比)的调控,研究人员设计了不同机械响应模式的kirigami图案,包括凹型、三角型和凸型三种鞋钉形状。并通过对三种形状的鞋钉(凹型、三角型、凸型)在常态和弯曲时与不同基底(冰面、乙烯基基底和硬木)的摩擦力进行表征。对于冰面和硬木而言,由于kirigami鞋钉穿透深度较浅,其摩擦模式为平滑模式,即达到静态摩擦力的峰值后维持在动态摩擦力的平台期。而对于乙烯基等的半硬基底,鞋钉穿透进基底而呈现出粘滑模式,即摩擦力在最大值和最小值之间周期性变化。不同形状的鞋钉在不同基底上的规律也不尽相同,这与其穿透能力有关。此外,相对于具有同样厚度同样材质的常规鞋底,所有kirigami结构都具有明显的抓地力优势。与此同时,鞋钉的排布方式也至关重要,凹面鞋钉的五种不同排布(单向、三列、交替行、方格和镜像)都呈现出不同的抓地效果。



最后,研究人员进行了常规步幅行走时的鞋底摩擦力的真人测试。通过脚下的力学感应器分别测试脚底三个正交方向的力值变化,并与商品鞋底进行对比发现,kirigami鞋底展现出更强的最大摩擦力。此外,五种不同排布方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系数比多种商品鞋底的摩擦系数高两倍。



目前,研究人员正在研究将其设计成一个单独的元素,嵌在鞋体下,以便在需要时进行附加。


论文题目:Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips

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