서로 다른 재료 사이의 경계면에서 마찰력을 미세 조정하는 새로운 기술이 프랑스 연구진에 의해 개발되었습니다. 줄리앙 샤이베르트 University of Lyon의 동료들은 간단하고 쉽게 조정 가능한 메타표면을 사용하여 유리와 엘라스토머 샘플 사이의 경계면에서 특정 마찰 계수를 생성했습니다.
터치스크린에서 로봇 손에 이르기까지 마찰 접촉은 많은 최신 장치의 핵심 구성 요소입니다. 성능을 최적화하려면 설계자는 재료 인터페이스의 마찰력을 엄격하게 제어해야 합니다. 그러나 수세기에 걸친 주의 깊은 조사에도 불구하고 우리는 여전히 특정 인터페이스의 마찰 계수를 예측할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 갖고 있지 않습니다.
마찰을 이해하는 데 있어 가장 어려운 점은 표면에서 발견되는 질감의 다양성입니다. 표면 형상의 크기는 원자 규모에서 밀리미터 규모까지 수십 배에 달할 수 있습니다. 이러한 모든 기능은 두 표면 사이의 마찰에 영향을 미칠 수 있으므로 첫 번째 원리로부터 마찰 계수를 계산하는 것은 종종 매우 어렵습니다.
현재 표면 간 마찰을 최적화하는 두 가지 주요 기술이 있습니다. 한 가지 방법은 정확한 양의 마찰을 경험하는 한 쌍의 재료를 선택하는 것입니다. 그러나 이러한 재료에는 특정 용도에 필요한 열적, 전기적 등의 다른 특성이 없는 경우가 많습니다.
이해력 부족
"두 번째 기술은 표면에 인공적인 미세 질감을 만드는 것입니다."라고 Scheibert는 설명합니다. "그러나 질감과 마찰 사이의 관계에 대한 이해가 부족하기 때문에 일반적으로 적합한 질감은 길고 비용이 많이 드는 실험 캠페인을 통해서만 식별됩니다."
연구에서 Scheibert 팀은 구형 캡의 사각형 배열로 구성된 매우 간단한 메타표면을 사용하여 미세 질감 접근 방식을 개선했습니다. 각 캡에는 다른 캡에 비해 특정 높이가 지정될 수 있습니다(그림 참조).
Scheibert는 "이러한 조건에서 인터페이스의 [마찰] 반응을 정확하게 모델링할 수 있으며, 표면을 실제로 제조하기 전에 목표한 마찰 동작을 제공하는 높이 목록을 결정할 수 있습니다."라고 설명합니다. 이러한 방식으로 팀은 첫 번째 시도에서 원하는 수준의 계면 마찰을 달성하기 위해 다양한 질감을 설계할 수 있었습니다.
연구진은 고무와 같은 탄성체의 센티미터 크기 샘플에 메타표면을 준비하여 그들의 접근 방식을 테스트했습니다. 각 표면에는 엘라스토머로 만들어진 64개의 구형 캡 격자가 있습니다. 각 캡이 표면에서 돌출되는 높이는 개별적으로 설정되므로 팀은 다양한 메타표면을 만들 수 있습니다.
마찰은 메타표면 위에 평평한 유리 조각을 놓고 메타표면을 따라 유리를 드래그하는 동안 아래로 눌러 측정됩니다. 메타표면의 구조를 체계적인 방식으로 조정함으로써 인터페이스에서 특정 마찰 계수를 생성할 수 있습니다.
두 가지 다른 마찰 계수
이 접근 방식은 마찰력의 첫 번째 원리 계산이 필요하지 않고 재료 자체의 특성을 변경하지 않고도 작동했습니다. "게다가 우리는 인터페이스에 적용되는 압축 수준에 따라 달라지는 두 가지 서로 다른 마찰 계수를 특징으로 하는 접점을 준비했습니다. 이는 본질적으로 매우 드문 동작입니다."라고 Scheibert는 덧붙입니다.
마찰은 로프와 실에서 무거운 것을 들어 올립니다.
이 빠르고 저렴한 접근 방식을 통해 Scheibert 팀은 실험에서 알려진 다양한 마찰 법칙을 재현할 수 있었습니다. 선형 법칙을 포함하여 전단력이 인터페이스 전체에서 증가함에 따라 마찰 계수가 일정하게 유지됩니다. 그리고 이 계수가 전단력에 따라 달라지는 더 복잡한 비선형 법칙도 있습니다.
연구진은 기술을 더욱 개선함에 따라 조정 가능한 메타표면 접근 방식에 대한 광범위한 응용 프로그램을 구상하고 있습니다. Scheibert는 "지정된 마찰 동작과 일치하는 접촉 인터페이스를 만드는 것은 마찰학의 성배입니다."라고 말합니다.
“우리의 디자인 전략은 이러한 마찰적 인터페이스를 준비하기 위한 새로운 도구를 제공합니다. 이는 잠재적으로 스포츠부터 소프트 로봇공학에 이르기까지 다양한 도전적인 분야에서 기회를 열어줄 수 있습니다. 센서와 액추에이터가 추가로 장착되면 우리의 메타인터페이스는 실시간 마찰 조정 기능을 갖춘 스마트 접촉 인터페이스의 가능성도 유지합니다."
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학.
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