Se vuoi sapere come realizzare una sneaker con una migliore trazione, basta chiedere a un serpente. Questa è la teoria che guida la ricerca di Hisham Abdel-Aal, dottorato di ricerca, un professore associato del College of Engineering della Drexel University che sta studiando la pelle di serpente per aiutare gli ingegneri a migliorare la progettazione di superfici strutturate, come le canne dei cilindri del motore, articolazioni protesiche e sì, forse anche calzature.

Abdel-Aal, un ingegnere meccanico con esperienza in tribologia, lo studio dell'attrito, ha raccolto e analizzato le pelli di serpente per quasi un decennio nel tentativo di comprendere e quantificare il modo in cui generano attrito quando si muovono. In un articolo recentemente pubblicato su Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials Abdel-Aal spiega come questi "dati naturali" possono essere trasferiti nella progettazione di prodotti commerciali che scivolano e si attaccano, un processo chiamato "ingegneria delle superfici ispirata alla bio".

"La natura ha informato molti settori dell'ingegneria e del design, ma la tribologia è un campo di studio che è stato in qualche modo trascurato quando si tratta di imparare dalla natura, " ha detto Abdel-Aal. "I serpenti in particolare hanno molto da insegnarci sull'ottimizzazione dello scivolamento e dell'aderenza. La loro esistenza dipende dall'efficienza del movimento in ambienti molto specifici. I serpenti che stiamo studiando oggi sono il risultato di un processo evolutivo che ha completamente adattato la microstruttura della loro pelle e la loro struttura corporea al movimento e alla sopravvivenza nel loro habitat fin dal primo giorno. Questi ambienti possono essere brutali anche sui nostri macchinari più avanzati, quindi applicare ciò che sappiamo sulla texture del serpente potrebbe aiutare anche la nostra tecnologia ad adattarsi".

Ma ascoltare i suggerimenti di design della natura richiede un bel po' di traduzione. Il lavoro di Abdel-Aal in questo settore sta rapidamente diventando lo standard per aiutare gli ingegneri a sbloccare il potenziale del controllo dell'attrito del serpente per la progettazione delle superfici.

La sua ricerca più recente distilla i tratti strutturali della pelle di serpente, raccolti dall'analisi di 350 pelli intere di 40 specie diverse, li abbina alle caratteristiche standard delle superfici industriali testurizzate e suggerisce come questa struttura può essere utilizzata per sintetizzare "superfici intelligenti" con nuove capacità di attrito.

Indovina e controlla

Sebbene sia una forza della natura sempre presente che gli scienziati, ingegneri e designer hanno studiato e affrontato per secoli il rumore di fondo, quando si tratta di esercitare effettivamente l'attrito per i nostri usi, gran parte della nostra comprensione moderna rimane avvolta nel mistero.

Parte di questo, Abdel-Aal suggerisce, è perché i nostri rapporti con l'attrito si sono evoluti cercando costantemente di negarlo con i lubrificanti o massimizzarlo con la consistenza, ma quasi sempre nel perseguimento di obiettivi on-off. Una volta raggiunto quell'obiettivo specifico, che si tratti di far produrre a un pistone del motore una certa quantità di potenza, o una scarpa da calcio che funziona su un campo fangoso:il lavoro svolto raramente contribuisce a una comprensione più ampia dell'attrito.

"Il design della trama è ancora visto come un'"arte nera" nel senso che attualmente esiste un divario tra le tecnologie di testurizzazione abilitanti disponibili e un paradigma concettuale di progettazione della trama, " ha scritto in una revisione delle superfici funzionali. Abdel-Aal osserva che una tale comprensione non solo migliorerebbe l'efficienza di queste specifiche sfide progettuali, ma potrebbe anche ispirare un uso più ampio dell'attrito nella progettazione di nuove superfici.

La guida presentata da Abdel-Aal elimina gran parte delle congetture dal texturing e consente invece ai designer di fare scelte intenzionali, supportate dal contributo degli striscianti esperti di tribologia.

Trovare il modello

Per discernere gli elementi che danno a un serpente il suo talento per la gestione dell'attrito, Abdel-Aal ha analizzato la sua scorta di campioni di pelle con i dettagli, e attenzione alla topografia, di un cartografo che traccia una mappa.

La sua scorta di muta è iniziata con alcuni campioni di amici con un pitone reale ed è cresciuta fino a diverse centinaia con un piccolo aiuto dallo zoo di Filadelfia e dall'Accademia di scienze naturali.

È importante studiare la pelle come l'avrebbe indossata il serpente, quindi quando Abdel-Aal riceve un nuovo campione, prima lo immerge nell'acqua, per renderlo più resistente, poi lo capovolgi a destra, poiché la maggior parte dei serpenti muta la pelle come un calzino a tubo tolto frettolosamente.

Quindi lo monta su carta grafica e lo scansiona per creare una registrazione permanente con un quadro visivo di riferimento. Da lì lui e i suoi colleghi di ricerca possono iniziare a effettuare misurazioni dettagliate della forma e delle dimensioni delle scale, e il loro posizionamento, l'uno rispetto all'altro e sul corpo del serpente.

Finalmente, esamina la pelle con un microscopio elettronico a scansione per produrre un'immagine delle caratteristiche microscopiche che ne creano la consistenza. Le squame dei serpenti sono invisibilmente piccole, strutture simili a capelli, chiamate fibrille. Sebbene siano lunghe solo un micron, circa 1/100 della larghezza di un capello umano, le fibrille, e come sono disposti sul lato inferiore del serpente, sono fondamentali per la sua capacità di generare attrito.

Il posizionamento delle fibrille, insieme alle dimensioni, forma, rigidità, e la distribuzione delle squame crea un profilo di attrito unico per ogni serpente, che è ciò che Abdel-Aal ha lavorato per catturare e catalogare.

Serpenti di ingegneria inversa

Con la pelle di serpente "mappata" il team di Abdel-Aal può scoprire i modelli significativi delle caratteristiche della trama che contribuiscono a spostare il serpente nel suo ambiente.

"L'adattamento ai requisiti locali richiede una specializzazione nella forma, geometria e proprietà meccaniche dei mattoni della pelle, " ha detto. "Le implicazioni dell'adattamento alle condizioni locali sono intriganti perché forniscono un luogo per decodificare gli elementi del design della superficie nei serpenti:un tale processo ha il potenziale per fornire molte lezioni applicabili alla progettazione di superfici tecnologiche".

Oltre a classificare i modelli di squame e distribuzione delle fibrille sul corpo del serpente, Il lavoro di Abdel-Aal sintetizza volumi di ricerca sulla fisica del movimento dei serpenti e misure delle forze di attrito esercitate dai serpenti mentre ondeggiano, strisciare, scivolo e vento laterale.

Incrociando queste misurazioni con il profilo della trama che ha creato per ogni serpente, Abdel-Aal può mettere in relazione i tratti fisici con il loro impatto sulla meccanica del serpente.

Per esempio, la consistenza delle squame e la muscolatura dei grandi serpenti, come boa e pitoni è stato ottimizzato per rettilinei, o moto rettilineo. Affinché questo tipo di movimento si verifichi, il serpente fondamentalmente solleva parte del suo corpo e barcolla in avanti spingendo contro il terreno con sezioni delle sue squame. Guardando da vicino queste sezioni della pelle di serpente, è evidente che ci sono più fibrille sulle parti "spingenti" del corpo del serpente, che creano abbastanza attrito da consentirgli di scorrere in avanti sulle altre scale.

Scale a Chevron

Per creare un rapporto diretto tra le pelli e le superfici ingegnerizzate, Abdel-Aal ha esaminato la ricerca sulle superfici testurizzate al laser che ha condotto un'ispezione microscopica simile e un inventario delle caratteristiche della superficie. Queste tecniche di testurizzazione, come l'incisione laser e chimica, sabbiatura, e deposizione, creare superfici con profili di attrito molto specifici per cose come cilindri del motore e componenti idraulici nei macchinari.

Ma condividono un dettaglio importante con le texture presenti in natura.

"L'elemento costitutivo di base nel caso sia della pelle di serpente che delle superfici ingegnerizzate testurizzate è un elemento strutturale che si ripete in una distribuzione array, " Abdel-Aal scrive. "Spaziatura, lunghezza, l'orientamento e la forma della dentizione è, generalmente, comune a una particolare famiglia di serpenti. Superfici ingegnerizzate, d'altra parte, presentano elementi costitutivi strutturali come coni, fossette, e galloni, distribuito in superficie. Perciò, entrambi i tipi di superfici condividono un'origine costruttiva comune."

Le caratteristiche fisiche predominanti delle superfici strutturate sono canali microscopici, fossette e sporgenze, che sono disposti per garantire un attrito costante in un sistema lubrificato. Gli ingegneri descrivono le strutture superficiali in termini di media delle misurazioni di queste caratteristiche. Quindi la "rugosità" verrebbe quantificata facendo la media dell'altezza delle sporgenze, calcolando la superficie totale da essi coperta, oppure determinando la loro snellezza confrontando l'altezza della sporgenza con l'area della sua base.

Le misurazioni microscopiche delle caratteristiche della trama della pelle di serpente consentono ad Abdel-Aal di stabilire una relazione diretta tra fibrille e protrusioni. Quindi le stesse misure di rugosità possono essere applicate ai serpenti semplicemente calcolando l'altezza delle fibrille, snellezza e distribuzione complessiva sulla bilancia.

Questa svolta, Abdel-Aal afferma, rende possibile integrare il patterning funzionale di un serpente su superfici ingegnerizzate per creare trame con comportamenti prevedibili.

Guadagnare trazione

"Affinché il design della superficie di ispirazione biologica sia efficace, avevamo bisogno di sviluppare un vocabolario comune per descrivere le caratteristiche della strutturazione" scrive Abdel-Aal. "Abbiamo scoperto che tre parametri principali sembravano traslare ampiamente tra le sporgenze e le fossette delle superfici strutturate e le fibrille della pelle di serpente:area totale della caratteristica, rapporto caratteristica-superficie, sporgenza/altezza e rapporto altezza-base."

Nel classificare le pelli di serpente secondo queste misure, è emerso un modello interessante. Molti dei "rapporti di testurizzazione consigliati" che i ricercatori hanno trovato attraverso la produzione e la sperimentazione di superfici ingegnerizzate sono gli stessi che già esistono nei serpenti.

"È sorprendente che la ricerca ingegneristica negli ultimi 25 anni sia giunta alla stessa soluzione progettuale, in termini di personalizzazione delle caratteristiche della superficie per promuovere l'efficienza del movimento, che i serpenti si sono evoluti nel corso di milioni di anni, " ha detto Abdel-Aal. "Anche se significa che gli ingegneri probabilmente sono arrivati ​​alla risposta giusta, suggerisce anche che i dati provenienti dallo studio dei serpenti potrebbero guidarci a tali conclusioni in modo molto più efficiente, accelerando così lo sviluppo di nuovi paradigmi di costruzione di superfici che possono trarre vantaggio dagli strumenti di produzione in rapida evoluzione".

Ora che il lavoro di Abdel-Aal consente agli ingegneri di confrontare le caratteristiche della superficie e del serpente, da fossette a fossette, alcuni hanno già iniziato ad applicarlo per migliorare le prestazioni dei sistemi che dipendono da un'attenta gestione dell'attrito.

I collaboratori in Colombia hanno progettato e testato una superficie per un'articolazione dell'anca protesica guidata dai dati tribologi raccolti dall'analisi di Abdel-Aal della pelle di pitone reale. Sulla base del lavoro di Abdel-Aal e dei suoi collaboratori, ricercatori nel Regno Unito stanno sviluppando schemi di testurizzazione per inserti di utensili utilizzati nella lavorazione a secco del titanio. Questi design di inserti di ispirazione biologica massimizzano l'attrito riducendo al minimo il calore residuo nel processo. E gli ingegneri tedeschi hanno recentemente pubblicato lavori su canne dei cilindri ispirate al serpente che consentono alle superfici di ridurre al minimo l'attrito sia che si spostino in avanti che all'indietro.

Abdel-Aal ha pubblicato i suoi set di dati in modo che qualsiasi ingegnere potesse utilizzarli. Ma ha anche in programma di integrarli in un algoritmo che potrebbe adattarsi perfettamente al processo di progettazione della superficie.

"Costruire superfici ispirate alla bio ha un obiettivo più ampio della semplice replica della bio-texture. In sostanza, cerca di estendere i potenziali benefici tribologico delle superfici rettiliane al dominio delle superfici ingegnerizzate dall'uomo, " Abdel-Aal scrive nel giornale. "Anche se il campo si sta sviluppando rapidamente, c'è un urgente bisogno di una cooperazione più approfondita tra le comunità di parti interessate. Credo che questo linguaggio comune tra biologia e tribologia consentirà la comunicazione incrociata necessaria per questa cooperazione".