Простые метаповерхности позволяют контролировать трение на границе раздела материалов

Исследователи из Франции разработали новую методику точной настройки сил трения на границе раздела различных материалов. Жюльен Шайберт и его коллеги из Лионского университета использовали простые и легко настраиваемые метаповерхности для создания определенных коэффициентов трения на границе раздела между образцами стекла и эластомера.

От сенсорных экранов до роботизированных рук — фрикционные контакты являются ключевым компонентом многих современных устройств. Чтобы оптимизировать производительность, проектировщикам необходимо обеспечить жесткий контроль над силами трения на границе раздела материалов. Однако, несмотря на столетия тщательных исследований, у нас до сих пор нет надежного метода прогнозирования коэффициента трения на любом интерфейсе.

Основная трудность в понимании трения заключается в огромном разнообразии текстур поверхностей. Размер поверхностных элементов может охватывать несколько порядков: от атомных до миллиметровых масштабов. Поскольку все эти особенности могут влиять на трение между двумя поверхностями, зачастую невероятно сложно рассчитать коэффициенты трения, исходя из первых принципов.

В настоящее время существует два основных метода оптимизации трения между поверхностями. Один из методов — просто выбрать пару материалов, которые испытывают нужное трение. Однако зачастую эти материалы не обладают другими свойствами – тепловыми, электрическими и т. д. – которые необходимы для конкретного применения.

Плохое понимание

«Второй метод заключается в создании искусственных микротекстур на поверхностях», — объясняет Шайберт. «Но поскольку связь между текстурой и трением остается плохо изученной, подходящие текстуры обычно идентифицируются только после длительных и дорогостоящих экспериментальных кампаний».

В своем исследовании команда Шайберта усовершенствовала микротекстурный подход, используя очень простые метаповерхности, состоящие из квадратных массивов сферических колпачков. Каждой заглушке можно присвоить определенную высоту относительно других заглушек (см. рисунок).

«В этих условиях [фрикционная] реакция интерфейса может быть точно смоделирована, а список высот, обеспечивающих заданное поведение трения, может быть определен до фактического изготовления поверхностей», — объясняет Шайберт. Таким образом, команда смогла разработать различные текстуры для достижения желаемого уровня межфазного трения с первой попытки.

Исследователи проверили свой подход, подготовив метаповерхности на образцах резиноподобного эластомера размером в сантиметр. Каждая поверхность представляла собой решетку из 64 сферических колпачков из эластомера. Высота, на которой каждая крышка выступает из поверхности, устанавливается индивидуально, что позволяет команде создавать множество различных метаповерхностей.

Трение измеряется путем помещения плоского куска стекла поверх метаповерхности и нажатия на него, одновременно перетаскивая стекло вдоль метаповерхности. Систематически корректируя структуру метаповерхностей, можно создать определенные коэффициенты трения на границе раздела.

Два разных коэффициента трения

Этот подход работал без необходимости проведения расчетов сил трения из первых принципов и без изменения каких-либо свойств самих материалов. «Более того, мы подготовили контакты с двумя разными коэффициентами трения, которые зависят от уровня сжатия, приложенного к интерфейсу — поведение, которое очень редко встречается в природе», — добавляет Шайберт.

Трение делает тяжелую работу в канатах и ​​пряже

Благодаря этому быстрому и доступному подходу команда Шайберта смогла воспроизвести в своих экспериментах множество известных законов трения: в том числе линейные законы, при которых коэффициент трения остается постоянным по мере увеличения сил сдвига на границе раздела; и более сложные нелинейные законы, где этот коэффициент меняется в зависимости от силы сдвига.

По мере дальнейшего совершенствования своей техники исследователи рассматривают широкий спектр применений своего подхода с регулируемыми метаповерхностями. «Создание контактных интерфейсов, соответствующих заданному поведению трения, — это Святой Грааль в трибологии», — говорит Шайберт.

«Наша стратегия проектирования предоставляет новые инструменты для подготовки таких сложных интерфейсов. Это потенциально может открыть возможности в различных сложных областях, от спорта до мягкой робототехники. Если наши метаинтерфейсы будут дополнительно оснащены датчиками и исполнительными механизмами, они даже обещают создать интеллектуальные контактные интерфейсы с настройкой трения в реальном времени».

Исследование описано в Наука.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/