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, Doctor., un profesor adjunto de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Drexel que está estudiando la piel de serpiente para ayudar a los ingenieros a mejorar el diseño de superficies texturizadas, como camisas de cilindros de motor, articulaciones 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 serpientes durante casi una década en un esfuerzo por comprender y cuantificar la forma en que generan fricción cuando se mueven. En un artículo publicado recientemente en Revista del comportamiento mecánico de los materiales biomédicos Abdel-Aal explica cómo estos "datos naturales" se pueden trasladar al diseño de productos comerciales que resbalan y se pegan, un proceso llamado "ingeniería de superficies bioinspirada".

"La naturaleza ha informado a muchas áreas de la ingeniería y el diseño, pero la tribología es un campo de estudio que se ha pasado algo por alto cuando se trata de aprender de la naturaleza, "dijo Abdel-Aal." Las serpientes en particular tienen mucho que enseñarnos sobre cómo optimizar 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 el 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 serpiente para el diseño de superficies.

Su investigación más reciente destila los rasgos de textura de la piel de serpiente, obtenidos del análisis de 350 pieles completas desprendidas de 40 especies diferentes, las empareja con las características estándar de las superficies industriales texturizadas y sugiere cómo se puede usar este marco para sintetizar "superficies inteligentes" con nuevas capacidades de fricción.

Adivina y comprueba

Aunque es una fuerza de la naturaleza siempre presente que los científicos, Los ingenieros y diseñadores han estudiado y lidiado con el ruido de fondo durante siglos, Cuando se trata de hacer uso de la fricción para nuestros usos, gran parte de nuestra comprensión moderna permanece envuelta en un misterio.

Parte de esto Abdel-Aal sugiere, Esto se debe a que nuestro trato con la fricción ha evolucionado al tratar constantemente de negarla con lubricantes o maximizarla con textura, pero casi siempre en la búsqueda de objetivos intermitentes. Una vez que se alcanza ese objetivo específico, ya sea hacer que el pistón de un motor produzca una cierta cantidad de caballos de fuerza, o un taco de fútbol que funciona en un campo embarrado:el trabajo que se realizó rara vez contribuye a una comprensión más amplia de la fricción.

"El diseño de texturas todavía se considera un 'arte negro' en el sentido de que actualmente existe una brecha entre las tecnologías de texturizado habilitadoras disponibles y un paradigma conceptual de diseño de texturas, ", escribió en una revisión de superficies funcionales. Abdel-Aal señala que tal comprensión no solo mejoraría la eficiencia de estos desafíos de diseño específicos, pero también podría inspirar un uso más amplio de la fricción en el diseño de nuevas superficies.

La guía que presenta Abdel-Aal elimina muchas de las conjeturas sobre el texturizado y, en cambio, permite a los diseñadores tomar decisiones intencionales, respaldadas por los comentarios de los expertos en tribología.

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 atención a la topografía, de un cartógrafo trazando un mapa.

Su stock de mudas comenzó con algunas muestras de amigos con una pitón real y ha aumentado 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 habría usado la serpiente, así que cuando Abdel-Aal obtiene una nueva muestra, primero la sumerge en agua, para hacerlo más duradero, luego lo gira del lado derecho, ya que la mayoría de las serpientes mudan su piel como un calcetín de tubo que se quita apresuradamente.

Luego lo monta en papel cuadriculado y lo escanea para crear un registro permanente con un marco de referencia visual. A partir de ahí, él y sus investigadores asociados pueden comenzar a realizar mediciones detalladas de la forma y el tamaño de las escamas, y su posicionamiento, entre sí 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 las serpientes tienen un tamaño invisible estructuras similares a pelos, llamadas fibrillas. Aunque tienen solo una micra de largo, aproximadamente 1/100 del ancho de un cabello humano, las fibrillas, y cómo están dispuestos en la parte inferior de la serpiente, son clave para su capacidad para generar fricciones.

El posicionamiento de las fibrillas, junto con el tamaño, forma, 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 desentrañar los patrones significativos de las características de la textura que contribuyen a mover a la serpiente en su entorno.

"La adaptación a los requisitos locales requiere especialización en la forma, geometría y 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 del diseño de superficies en serpientes; un proceso de este tipo tiene el potencial de producir muchas lecciones aplicables al diseño de superficies tecnológicas ".

Además de categorizar 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 las serpientes y las medidas de las fuerzas de fricción ejercidas por las serpientes mientras ondulan, deslizarse, deslizamiento y viento 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 escamas y la musculatura de las serpientes grandes, como boas y pitones se ha optimizado para rectilíneos, o movimiento en línea recta. Para que ocurra este tipo de movimiento, la serpiente básicamente levanta parte de su cuerpo y se tambalea hacia adelante empujando 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 del cuerpo de la serpiente que "empujan", que crean suficiente fricción para permitir que se deslice hacia adelante en las otras escalas.

Escalas a galones

Para establecer una relación directa entre las pieles y las superficies diseñadas, Abdel-Aal revisó la investigación sobre superficies texturizadas con láser que llevaron a cabo una inspección microscópica similar y un inventario de las características de la superficie. Estas técnicas de texturizado, como el grabado con láser y químico, chorro de arena, y deposición, Cree superficies con perfiles de fricción muy específicos para cosas como cilindros de motor y componentes hidráulicos en maquinaria.

Pero comparten un detalle importante con el texturizado que se encuentra en la naturaleza.

"El bloque de construcción básico en el caso de las superficies de ingeniería de piel de serpiente y texturadas es un elemento de textura que se repite en una distribución de matriz, "Escribe Abdel-Aal". Espaciado, largo, La orientación y la forma de la denticulación es, en general, común a una familia particular de serpientes. Superficies diseñadas, por otra parte, cuentan con bloques de construcción de textura como conos, hoyuelos y galones, distribuido 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 medidas de estas características. Entonces, la "rugosidad" se cuantificaría promediando la altura de las protuberancias, calculando el área total cubierta por ellos, o determinar su esbeltez comparando la altura del saliente con el área de su base.

Las mediciones microscópicas de las características de la textura de la piel de serpiente permiten a Abdel-Aal establecer la relación directa entre las fibrillas y las protuberancias. Entonces, las mismas medidas de rugosidad se pueden aplicar a las serpientes simplemente calculando la altura de las fibrillas, esbeltez y distribución general en las escamas.

Este avance Abdel-Aal afirma:hace posible integrar el patrón funcional de una serpiente en superficies diseñadas para crear texturas con comportamientos predecibles.

Ganando tracción

"Para que el diseño de superficies de inspiración biológica sea eficaz, necesitábamos desarrollar un vocabulario común para describir las características de texturización ", escribe Abdel-Aal." Descubrimos que tres parámetros principales parecían traducirse ampliamente entre las protuberancias y hoyuelos de las superficies texturizadas y las fibrillas de la piel de serpiente:área total de la característica, relación característica-superficie, saliente / altura y relación altura-base ".

Al clasificar las pieles de serpiente de acuerdo con estas medidas, surgió un patrón interesante. Muchas de las "proporciones de textura recomendadas" que los investigadores han encontrado a través de la producción y prueba de superficies diseñadas son las mismas que ya existen en las serpientes.

"Es sorprendente que la investigación de ingeniería de 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." Si bien 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 pueden aprovechar las ventajas de las herramientas de fabricación en rápida evolución ".

Ahora que el trabajo de Abdel-Aal permite a los ingenieros comparar las características de la superficie y de las serpientes (hoyuelos con hoyuelos), algunos ya han comenzado a aplicarlo para mejorar el rendimiento de los sistemas que dependen de una gestión cuidadosa de la fricción.

Los colaboradores en Colombia diseñaron y probaron una superficie para una prótesis de articulación de cadera guiados 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, Investigadores en el Reino Unido están desarrollando esquemas de texturizado para insertos de herramientas utilizados en el mecanizado en seco de titanio. Estos diseños de insertos de inspiración biológica maximizan la fricción y minimizan el calor residual en el proceso. Y los ingenieros alemanes publicaron recientemente un trabajo sobre camisas de cilindros inspiradas en serpientes que permiten que las superficies minimicen la fricción, ya sea que se muevan hacia adelante o hacia atrás.

Abdel-Aal ha estado publicando sus conjuntos de datos para que cualquier ingeniero pueda usarlos. Pero también planea incorporarlos en un algoritmo que podría encajar perfectamente en el proceso de diseño de superficies.

"La construcción de superficies bioinspiradas tiene un objetivo más amplio que la mera replicación de la biotextura. En esencia, busca extender los beneficios tribológicos potenciales de las superficies reptiles al dominio de las superficies diseñadas por humanos, "Abdel-Aal escribe en la revista." Aunque el campo se está desarrollando rápidamente, existe una necesidad urgente de una cooperación más profunda entre las comunidades de interesados. Creo que este lenguaje común entre biología y tribología permitirá la comunicación cruzada necesaria para esta cooperación ".