Si quieres saber cómo hacer una zapatilla con mejor tracción, solo pregúntale a una serpiente. Esa es la teoría que impulsa la investigación de Hisham Abdel-Aal, PhD, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel que estudia piel de serpientepara ayudar a los ingenieros a mejorar el diseño de superficies texturizadas, como camisas de cilindros de motores, juntas protésicas, y sí, tal vez incluso calzado.
Abdel-Aal, un ingeniero mecánico con experiencia en tribología, el estudio de la fricción, ha estado recolectando y analizando pieles de serpiente durante casi una década en un esfuerzo por comprender y cuantificar la forma en que generan fricción cuando se mueven. En un artículo recientementepublicado en el Revista del comportamiento mecánico de materiales biomédicos Abdel-Aal explica cómo estos "datos naturales" se pueden transferir al diseño de productos comerciales que se deslizan y se pegan, un proceso llamado "ingeniería de superficies bioinspiradas".
"La naturaleza ha informado muchas áreas de ingeniería y diseño, pero la tribología es un campo de estudio que se ha pasado por alto cuando se trata de aprender de la naturaleza", dijo Abdel-Aal. "Las serpientes en particular tienen mucho que enseñarnos sobreoptimizando el deslizamiento y el agarre. Su existencia depende de la eficiencia del movimiento en entornos muy específicos. Las serpientes que estamos estudiando hoy son el resultado de un proceso evolutivo que ha adaptado completamente la microestructura de su piel y la estructura de su cuerpo para moverse y sobrevivir.en su hábitat desde el primer día. Estos entornos pueden ser brutales incluso en nuestra maquinaria más avanzada, por lo que aplicar lo que sabemos sobre texturizado de serpientes también podría ayudar a que nuestra tecnología se adapte ".
Pero escuchar los consejos de diseño de la naturaleza requiere bastante traducción. El trabajo de Abdel-Aal en esta área se está convirtiendo rápidamente en el estándar para ayudar a los ingenieros a desbloquear el potencial del control de fricción de las serpientes para el diseño de superficies.
Su investigación más reciente destila los rasgos de textura de la piel de serpiente, obtenida del análisis de 350 pieles completas desprendidas de 40 especies diferentes, las combina con las características estándar de las superficies industriales con textura y sugiere cómo este marco puede usarse para sintetizar "inteligente"superficies "con nuevas capacidades de fricción.
Adivina y Comprueba
Aunque es una fuerza de la naturaleza siempre presente que los científicos, ingenieros y diseñadores han estudiado y abordado como ruido de fondo durante siglos, cuando se trata de manejar la fricción para nuestros usos, gran parte de nuestra comprensión moderna sigue envuelta en el misterio.
Parte de esto, sugiere Abdel-Aal, se debe a que nuestro trato con la fricción ha evolucionado tratando constantemente de negarlo con lubricantes o maximizarlo con textura, pero casi siempre en la búsqueda de objetivos de encendido y apagado. Una vez que ese objetivo específico esalcanzado, ya sea haciendo que un pistón del motor produzca una cierta cantidad de caballos de fuerza, o un taco de fútbol que funciona en un campo fangoso, el trabajo que se realiza raramente contribuye a una comprensión más amplia de la fricción.
"El diseño de textura todavía se ve como un 'arte negro' en el sentido de que actualmente existe una brecha entre las tecnologías de texturización disponibles y un paradigma conceptual de diseño de textura", escribió en una revisión de superficies funcionales. Abdel-Aalseñala que tal comprensión no solo mejoraría la eficiencia de estos desafíos de diseño específicos, sino que también podría inspirar un uso más amplio de la fricción en el diseño de nuevas superficies.
La guía que presenta Abdel-Aal elimina muchas conjeturas de la textura y, en cambio, permite a los diseñadores tomar decisiones intencionales, respaldadas por los comentarios de los expertos en tribología deslizándose.
Encontrar el patrón
Para discernir los elementos que le dan a una serpiente su talento para manejar la fricción, Abdel-Aal analizó su alijo de muestras de piel con el detalle y la atención a la topografía, de un cartógrafo que traza un mapa.
Su stock de transiciones comenzó con algunas muestras de amigos con una pitón real y ha crecido a varios cientos con un poco de ayuda del zoológico de Filadelfia y la Academia de Ciencias Naturales.
Es importante estudiar la piel como la serpiente la habría usado, así que cuando Abdel-Aal obtiene una nueva muestra, primero la sumerge en agua, para que sea más duradera, luego la voltea hacia el lado derecho, ya que la mayoría de las serpientes arrojansu piel como un calcetín de tubo rápidamente quitado
Luego lo monta en papel cuadriculado y lo escanea para crear un registro permanente con un marco visual de referencia. A partir de ahí, él y sus colaboradores de investigación pueden comenzar a realizar mediciones detalladas de la forma y el tamaño de las escalas, y su posición, relativael uno al otro y sobre el cuerpo de la serpiente.
Finalmente, examina la piel con un microscopio electrónico de barrido para producir una imagen de las características microscópicas que crean su textura. Las escamas de serpiente tienen estructuras invisibles, pequeñas y peludas, llamadas fibrillas. Aunque solo tienen una longitud de un micrón -- aproximadamente 1/100 del ancho de un cabello humano - las fibrillas, y cómo están dispuestas en la parte inferior de la serpiente, son clave para su capacidad de generar fricción.
El posicionamiento de las fibrillas, junto con el tamaño, la forma, la rigidez y la distribución de escamas crean un perfil de fricción único para cada serpiente, que es lo que Abdel-Aal ha trabajado para capturar y catalogar.
Serpientes de ingeniería inversa
Con la piel de serpiente "mapeada", el equipo de Abdel-Aal puede descifrar los patrones significativos de las características de textura que contribuyen a mover la serpiente en su entorno.
"La adaptación a los requisitos locales requiere especialización en la forma, la geometría y las propiedades mecánicas de los bloques de construcción de la piel", dijo. "Las implicaciones de la adaptación a las condiciones locales son intrigantes porque proporcionan un lugar para decodificar elementos de diseño de superficie en serpientes -- tal proceso tiene el potencial de producir muchas lecciones aplicables al diseño de superficies tecnológicas "
Además de clasificar los patrones de escamas y distribución de fibrillas sobre el cuerpo de la serpiente, el trabajo de Abdel-Aal sintetiza volúmenes de investigación sobre la física del movimiento de la serpiente y las medidas de las fuerzas de fricción que ejercen las serpientes mientras ondulan, se deslizan, se deslizan yviento lateral
Al hacer una referencia cruzada de estas medidas con el perfil de textura que creó para cada serpiente, Abdel-Aal puede relacionar los rasgos físicos con su impacto en la mecánica de la serpiente.
Por ejemplo, la textura de la escala y la musculatura de las serpientes grandes, como las boas y las pitones se ha optimizado para el movimiento rectilíneo o en línea recta. Para que se produzca este tipo de movimiento, la serpiente básicamente levanta parte de su cuerpo y se mueve hacia adelanteempujando contra el suelo con secciones de sus escamas. Al mirar de cerca estas secciones de la piel de serpiente, es evidente que hay más fibrillas en las partes "empujadoras" del cuerpo de la serpiente, lo que crea suficiente fricción para permitir que se deslice hacia adelanteen las otras escalas.
Escalas a galones
Para establecer una relación directa entre las pieles y las superficies de ingeniería, Abdel-Aal revisó la investigación sobre superficies con textura láser que realizaron una inspección microscópica similar y un inventario de las características de la superficie. Estas técnicas de texturizado, tales como láser y grabado químico, chorro de arenay deposición, cree superficies con perfiles de fricción muy específicos para elementos como cilindros de motores y componentes hidráulicos en maquinaria.
Pero comparten un detalle importante con la textura que se encuentra en la naturaleza.
"El elemento básico básico en el caso de las superficies de ingeniería de piel de serpiente y texturizada es un elemento de textura que se repite en una distribución de matriz", escribe Abdel-Aal. "El espacio, la longitud, la orientación y la forma de la denticulación es, en general,común a una familia particular de serpientes. Las superficies de ingeniería, por otro lado, presentan bloques de construcción de textura como conos, hoyuelos y galones, distribuidos en la superficie. Por lo tanto, ambos tipos de superficies comparten un origen constructivo común ".
Las características físicas predominantes de las superficies texturizadas son canales microscópicos, hoyuelos y protuberancias, que están dispuestos para garantizar una fricción constante en un sistema lubricado. Los ingenieros describen las texturas de la superficie en términos del promedio de las mediciones de estas características. Entonces, "rugosidad"se cuantificaría promediando la altura de las protuberancias, calculando el área total cubierta por ellas o determinando su esbeltez comparando la altura de la protuberancia con el área de su base.
Las mediciones microscópicas de las características de textura de la piel de serpiente permiten a Abdel-Aal establecer una relación directa entre las fibrillas y las protuberancias. Por lo tanto, se pueden aplicar las mismas medidas de rugosidad a las serpientes simplemente calculando la altura, la esbeltez y la distribución general de las fibrillas en las escamas.
Este avance, afirma Abdel-Aal, permite integrar el patrón funcional de una serpiente en superficies diseñadas para crear texturas con comportamientos predecibles.
Ganar tracción
"Para que el diseño de superficie con inspiración biológica sea efectivo, necesitábamos desarrollar un vocabulario común para describir las características de texturas", escribe Abdel-Aal. "Encontramos que tres parámetros principales parecían traducirse ampliamente entre las protuberancias y hoyuelos de las superficies texturizadas ylas fibrillas de la piel de serpiente: área total de la característica, relación característica-superficie, protrusión / altura y relación altura-base ".
Al clasificar las pieles de las serpientes de acuerdo con estas medidas, surgió un patrón interesante. Muchas de las "proporciones de texturas recomendadas" que los investigadores han encontrado a través de la producción y prueba de superficies modificadas son las mismas que ya existen en las serpientes.
"Es sorprendente que la investigación de ingeniería en los últimos 25 años haya llegado a la misma solución de diseño, en términos de personalización de las características de la superficie para promover la eficiencia del movimiento, que las serpientes han evolucionado durante millones de años", dijo Abdel-Aal. "significa que los ingenieros probablemente han llegado a la respuesta correcta, también sugiere que los datos del estudio de las serpientes podrían guiarnos a esas conclusiones de manera mucho más eficiente, acelerando así el desarrollo de nuevos paradigmas de construcción de superficies que puedan aprovechar las herramientas de fabricación en rápida evolución."
Ahora que el trabajo de Abdel-Aal está permitiendo a los ingenieros comparar las características de la superficie y la serpiente, hoyuelos a hoyuelos, algunos ya han comenzado a aplicarlo para mejorar el rendimiento de los sistemas que dependen de un manejo cuidadoso de la fricción.
Los colaboradores en Colombia diseñaron y probaron una superficie para una articulación protésica de cadera guiada por los datos tribológicos obtenidos del análisis de Abdel-Aal de la piel de Royal Python. Basado en el trabajo de Abdel-Aal y sus colaboradores, los investigadores en el Reino Unido están desarrollando texturasesquemas para insertos de herramientas utilizados en el mecanizado en seco de titanio. Estos diseños de insertos bioinspirados maximizan la fricción mientras minimizan el calor residual en el proceso. Y los ingenieros alemanes publicaron recientemente trabajos sobre camisas de cilindro inspiradas en serpientes que permiten que las superficies minimicen la fricción ya sea que avanceo hacia atrás
Abdel-Aal ha estado publicando sus conjuntos de datos para que cualquier ingeniero pueda usarlos. Pero también planea incorporarlos a un algoritmo que pueda encajar perfectamente en el proceso de diseño de la superficie.
"La construcción de superficies bioinspiradas tiene un objetivo más amplio que la mera replicación de la bio-texturización. En esencia, busca extender los beneficios tribológicos potenciales de las superficies reptilianas al dominio de las superficies diseñadas por humanos", escribe Abdel-Aal en el"Aunque el campo se está desarrollando rápidamente, existe una necesidad apremiante de una cooperación más profunda entre las comunidades interesadas. Creo que este lenguaje común entre biología y tribología permitirá la comunicación cruzada necesaria para esta cooperación".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Drexel . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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