異なる材料間の界面での摩擦力を微調整する新しい技術が、フランスの研究者によって開発された。 ジュリアン・シャイベルト リヨン大学の同僚らは、シンプルで簡単に調整可能なメタサーフェスを使用して、ガラスとエラストマーのサンプル間の界面に特定の摩擦係数を作成しました。

タッチスクリーンからロボットハンドに至るまで、摩擦接触は多くの最新デバイスの重要なコンポーネントです。性能を最適化するには、設計者は材料界面での摩擦力を厳密に制御する必要があります。しかし、何世紀にもわたる慎重な調査にも関わらず、特定の界面の摩擦係数を予測するための信頼できる方法はまだありません。

摩擦を理解する際の主な困難は、表面に見られるテクスチャの多様性にあります。表面特徴のサイズは、原子スケールからミリメートルスケールまで、数桁にわたる可能性があります。これらの特徴はすべて 2 つの表面間の摩擦に影響を与える可能性があるため、第一原理から摩擦係数を計算することは多くの場合非常に困難です。

現在、表面間の摩擦を最適化するための主な手法が 2 つあります。 1 つの方法は、適切な量の摩擦を受ける材料のペアを単純に選択することです。ただし、これらの材料には、特定の用途に必要な他の特性 (熱、電気など) が備わっていないことがよくあります。

理解力が低い

「2 番目の技術は、表面に人工的なマイクロテクスチャーを作成することです」とシャイバート氏は説明します。 「しかし、質感と摩擦の関係は依然としてほとんど理解されていないため、適切な質感は通常、長く費用のかかる実験キャンペーンの後にのみ特定されます。」

研究では、シャイバートのチームは、球状キャップの正方形の配列で構成される非常に単純なメタサーフェスを使用することで、マイクロテクスチャーのアプローチを改良しました。各キャップには、他のキャップに対して特定の高さを与えることができます (図を参照)。

「これらの条件では、界面の[摩擦]応答を正確にモデル化でき、実際に表面を製造する前に、目標とする摩擦挙動を実現する高さのリストを決定できます」とシャイバート氏は説明する。このようにして、チームはさまざまなテクスチャーを設計して、最初の試行で望ましいレベルの界面摩擦を達成することができました。

研究者らは、センチメートルサイズのゴム状エラストマーのサンプル上にメタサーフェスを作成することで、アプローチをテストしました。各表面には、エラストマー製の 64 個の球形キャップの格子が配置されていました。各キャップがサーフェスから突き出る高さは個別に設定されるため、チームはさまざまなメタサーフェスを作成できます。

摩擦は、メタサーフェスの上に平らなガラスを置き、メタサーフェスに沿ってガラスを引きずりながら押し下げることによって測定されます。メタサーフェスの構造を体系的に調整することで、界面に特定の摩擦係数を作り出すことができます。

2 つの異なる摩擦係数

このアプローチは、摩擦力の第一原理計算を必要とせず、材料自体の特性を変更することなく機能しました。 「さらに、インターフェースに適用される圧縮レベルに応じて、2 つの異なる摩擦係数を備えた接触子を用意しました。これは自然界では非常にまれな動作です」とシャイバート氏は付け加えました。

この迅速かつ手頃なアプローチにより、シャイベルトのチームは実験でさまざまな既知の摩擦法則を再現することができました。これには、界面全体でせん断力が増加しても摩擦係数が一定に保たれる線形法則が含まれます。さらに複雑な非線形法則では、この係数はせん断力に応じて変化します。

研究者らは技術をさらに改善するにつれて、調整可能なメタサーフェス アプローチの幅広い応用を想定しています。 「指定された摩擦挙動に一致する接触界面を作成することは、トライボロジーの聖杯です」とシャイバート氏は言います。

「私たちの設計戦略は、このような摩擦界面を準備するための新しいツールを提供します。これにより、スポーツからソフトロボット工学に至るまで、さまざまな困難な分野でチャンスが広がる可能性があります。さらにセンサーとアクチュエーターが装備されている場合、当社のメタインターフェースは、リアルタイムの摩擦調整を備えたスマート接触インターフェースの可能性も期待できます。」

研究はで説明されています 科学.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/simple-metasurfaces-offer-control-over-friction-at-material-interfaces/