Metasurfaces แบบธรรมดาให้การควบคุมแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานวัสดุ - Physics World

Metasurfaces แบบธรรมดาให้การควบคุมแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานวัสดุ - Physics World

ประทับเวลา: 18 มกราคม 2024 7:28 น

แรงเสียดทานของเมตาเซอร์เฟส
การทดลองแบบเสียดทาน: ความประทับใจของศิลปินต่อเมตาอินเทอร์เฟซระหว่างแผ่นกระจกแข็ง (ด้านบน) และเมตาเซอร์เฟซ (ด้านล่าง) บริเวณที่มีพื้นผิวคือบริเวณที่แก้วและพื้นผิวสัมผัสกัน (ขอบคุณภาพ: นาซาริโอ มอร์กาโด)

เทคนิคใหม่สำหรับการปรับแรงเสียดทานที่จุดเชื่อมต่อระหว่างวัสดุต่างๆ ได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัยในฝรั่งเศส จูเลียน ไชเบิร์ต และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยลียงใช้ metasurfaces ที่เรียบง่ายและปรับเปลี่ยนได้ง่ายเพื่อสร้างค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเฉพาะที่จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวอย่างแก้วและอีลาสโตเมอร์

ตั้งแต่หน้าจอสัมผัสไปจนถึงมือหุ่นยนต์ หน้าสัมผัสแบบเสียดสีเป็นองค์ประกอบสำคัญของอุปกรณ์สมัยใหม่หลายชนิด เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน นักออกแบบจำเป็นต้องสร้างการควบคุมแรงเสียดทานที่ส่วนต่อประสานวัสดุอย่างเข้มงวด อย่างไรก็ตาม แม้จะมีการตรวจสอบอย่างรอบคอบมานานหลายศตวรรษ แต่เรายังไม่มีวิธีการที่เชื่อถือได้ในการทำนายค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานทั่วทั้งอินเทอร์เฟซใดๆ

ปัญหาหลักในการทำความเข้าใจแรงเสียดทานคือความหลากหลายของพื้นผิวที่พบบนพื้นผิว ขนาดของลักษณะพื้นผิวสามารถขยายได้หลายขนาด ตั้งแต่ระดับอะตอมไปจนถึงระดับมิลลิเมตร เนื่องจากคุณลักษณะทั้งหมดเหล่านี้มีอิทธิพลต่อแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวทั้งสอง จึงมักเป็นเรื่องยากมากที่จะคำนวณค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจากหลักการแรกๆ

ปัจจุบัน มีสองเทคนิคหลักในการปรับแรงเสียดทานระหว่างพื้นผิวให้เหมาะสม วิธีหนึ่งคือเพียงเลือกคู่ของวัสดุที่มีปริมาณแรงเสียดทานที่ถูกต้อง อย่างไรก็ตาม มักเป็นกรณีที่วัสดุเหล่านี้ไม่มีคุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความร้อน ไฟฟ้า ฯลฯ ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน

ความเข้าใจไม่ดี

“เทคนิคที่สองคือการสร้างพื้นผิวไมโครเท็กซ์เจอร์เทียมบนพื้นผิว” Scheibert อธิบาย “แต่เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิวและแรงเสียดทานยังคงไม่เข้าใจ จึงมักจะระบุพื้นผิวที่เหมาะสมหลังจากแคมเปญทดลองที่ยาวนานและมีค่าใช้จ่ายสูงเท่านั้น”

ในการศึกษาของพวกเขา ทีมงานของ Scheibert ได้ปรับปรุงแนวทางไมโครเท็กซ์เจอร์โดยใช้เมตาเซอร์เฟซที่เรียบง่ายซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์สี่เหลี่ยมของแคปทรงกลม หมวกแต่ละอันสามารถกำหนดความสูงเฉพาะโดยเทียบกับหมวกอื่นๆ ได้ (ดูรูป)

“ในสภาวะเหล่านี้ การตอบสนอง [เสียดทาน] ของอินเทอร์เฟซสามารถสร้างแบบจำลองได้อย่างแม่นยำ และสามารถกำหนดรายการความสูงที่นำเสนอพฤติกรรมการเสียดสีเป้าหมายได้ก่อนการผลิตพื้นผิวจริง” Scheibert อธิบาย ด้วยวิธีนี้ ทีมงานสามารถสร้างพื้นผิวที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ระดับแรงเสียดทานของพื้นผิวที่ต้องการในการทดลองครั้งแรก

นักวิจัยได้ทดสอบวิธีการของพวกเขาโดยการเตรียมพื้นผิวเมตาบนตัวอย่างอีลาสโตเมอร์ที่มีลักษณะคล้ายยางขนาดเซนติเมตร แต่ละพื้นผิวมีโครงตาข่ายที่มีแคปทรงกลม 64 อันทำจากอีลาสโตเมอร์ ความสูงที่ฝาครอบแต่ละอันยื่นออกมาจากพื้นผิวนั้นถูกกำหนดไว้แยกกัน ช่วยให้ทีมสามารถสร้างเมตาเซอร์เฟสที่แตกต่างกันได้

แรงเสียดทานวัดได้โดยการวางแผ่นกระจกแบนไว้ด้านบนของเมตาเซอร์เฟส แล้วกดลงขณะลากกระจกไปตามเมตาเซอร์เฟส ด้วยการปรับโครงสร้างของเมตาเซอร์เฟสอย่างเป็นระบบ สามารถสร้างค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจำเพาะที่อินเทอร์เฟซได้

ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่แตกต่างกันสองค่า

วิธีนี้ใช้ได้ผลโดยไม่จำเป็นต้องคำนวณแรงเสียดทานตามหลักการแรก และไม่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติใดๆ ของวัสดุด้วย “ยิ่งกว่านั้น เราได้เตรียมหน้าสัมผัสที่มีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานที่แตกต่างกันสองแบบ ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับการบีบอัดที่ใช้กับอินเทอร์เฟซ ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่หาได้ยากมากในธรรมชาติ” Scheibert กล่าวเสริม

ด้วยแนวทางที่รวดเร็วและราคาไม่แพงนี้ ทีมงานของไชเบิร์ตจึงสามารถสร้างกฎแรงเสียดทานที่รู้จักในการทดลองได้มากมาย รวมถึงกฎเชิงเส้นด้วย โดยที่ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจะคงที่เมื่อแรงเฉือนเพิ่มขึ้นทั่วทั้งส่วนต่อประสาน และกฎไม่เชิงเส้นที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยที่ค่าสัมประสิทธิ์นี้จะแปรผันตามแรงเฉือน

ในขณะที่พวกเขาปรับปรุงเทคนิคของพวกเขาต่อไป นักวิจัยจะมองเห็นการใช้งานที่หลากหลายสำหรับแนวทาง metasurface ที่ปรับเปลี่ยนได้ “การสร้างอินเทอร์เฟซการสัมผัสที่ตรงกับพฤติกรรมการเสียดสีที่ระบุถือเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ในไตรโบโลยี” ไชเบิร์ตกล่าว

“กลยุทธ์การออกแบบของเรามอบเครื่องมือใหม่สำหรับการเตรียมอินเทอร์เฟซแบบเสียดสีดังกล่าว สิ่งนี้อาจเปิดโอกาสในสาขาที่ท้าทายต่างๆ ตั้งแต่กีฬาไปจนถึงวิทยาการหุ่นยนต์ หากติดตั้งเซ็นเซอร์และแอคทูเอเตอร์เพิ่มเติม เมตาอินเทอร์เฟซของเรายังรับประกันอินเทอร์เฟซหน้าสัมผัสอัจฉริยะพร้อมการปรับแรงเสียดทานแบบเรียลไทม์”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์