Se você quer saber como fazer um tênis com melhor tração, apenas pergunte a uma cobra. Essa é a teoria que orienta a pesquisa de Hisham Abdel-Aal, Ph.D., um professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade Drexel que está estudando a pele de cobra para ajudar os engenheiros a melhorar o design de superfícies texturizadas, como camisas de cilindro do motor, articulações protéticas - e sim, talvez até calçados.

Abdel-Aal, um engenheiro mecânico com experiência em tribologia, o estudo da fricção, vem coletando e analisando peles de cobras há quase uma década em um esforço para compreender e quantificar a maneira como elas geram atrito quando se movem. Em um artigo publicado recentemente no Jornal do comportamento mecânico de materiais biomédicos Abdel-Aal explica como esses "dados naturais" podem ser transportados para o design de produtos comerciais que escorregam e grudam - um processo chamado "engenharia de superfície bioinspirada".

"A natureza informou muitas áreas da engenharia e design, mas a tribologia é um campo de estudo que tem sido um tanto esquecido quando se trata de aprender com a natureza, "disse Abdel-Aal." As cobras em particular têm muito a nos ensinar sobre como otimizar o deslizamento e a aderência. Sua existência depende da eficiência do movimento em ambientes muito específicos. As cobras que estamos estudando hoje são o resultado de um processo evolutivo que adaptou totalmente a microestrutura de sua pele e sua estrutura corporal para se mover e sobreviver em seu habitat desde o primeiro dia. Esses ambientes podem ser brutais até mesmo em nossas máquinas mais avançadas, então, aplicar o que sabemos sobre texturização de cobras pode ajudar a nossa tecnologia a se adaptar também. "

Mas ouvir as dicas de design da natureza requer um pouco de tradução. O trabalho de Abdel-Aal nessa área está rapidamente se tornando o padrão para ajudar os engenheiros a desbloquear o potencial do controle de fricção de cobra para o design de superfícies.

Sua pesquisa mais recente destila os traços texturais da pele de cobra - colhidos da análise de 350 peles completas de 40 espécies diferentes - combina-os com os recursos padrão de superfícies industriais texturizadas e sugere como esta estrutura pode ser usada para sintetizar "superfícies inteligentes" com novos capacidades de fricção.

Adivinhe e verifique

Embora seja uma força da natureza sempre presente que os cientistas, engenheiros e designers estudaram e lutaram como ruído de fundo por séculos, quando se trata de realmente empunhar atritos para nossos usos, muito de nossa compreensão moderna permanece envolta em mistério.

Parte disso, Abdel-Aal sugere, é porque nossas relações com o atrito evoluíram ao tentarmos constantemente anulá-lo com lubrificantes ou maximizá-lo com textura - mas quase sempre em busca de objetivos on-off. Uma vez que esse objetivo específico seja alcançado - seja fazer um pistão do motor produzir uma certa quantidade de cavalos de força, ou uma chuteira de futebol que funciona em um campo lamacento - o trabalho que foi feito raramente contribui para uma compreensão mais ampla do atrito.

"O design de textura ainda é visto como uma 'arte negra' no sentido de que atualmente existe uma lacuna entre as tecnologias de texturização disponíveis e um paradigma conceitual de design de textura, "ele escreveu em uma revisão das superfícies funcionais. Abdel-Aal observa que tal entendimento não apenas melhoraria a eficiência desses desafios de design específicos, mas também pode inspirar um uso mais amplo de fricção no design de novas superfícies.

O guia apresentado por Abdel-Aal elimina muitas das conjecturas da texturização e, em vez disso, permite que os designers façam escolhas intencionais - apoiadas pela contribuição dos especialistas em tribologia deslizantes.

Encontrando o Padrão

Para discernir os elementos que dão a uma cobra seu talento para controlar o atrito, Abdel-Aal analisou seu estoque de amostras de pele com os detalhes, e atenção à topografia, de um cartógrafo traçando um mapa.

Seu estoque de sheddings começou com algumas amostras de amigos com uma píton real e cresceu para várias centenas com uma pequena ajuda do Zoológico da Filadélfia e da Academia de Ciências Naturais.

É importante estudar a pele como a cobra a teria usado, então, quando Abdel-Aal obtém uma nova amostra, ele primeiro a embebe em água, para torná-lo mais durável, em seguida, vira do lado direito, já que a maioria das cobras trocam de pele como uma meia tubular removida às pressas.

Em seguida, ele o monta em papel milimetrado e o digitaliza para criar um registro permanente com um quadro de referência visual. A partir daí, ele e seus associados de pesquisa podem começar a fazer medições detalhadas da forma e do tamanho das escalas, e seu posicionamento, em relação um ao outro e sobre o corpo da cobra.

Finalmente, ele examina a pele com um microscópio eletrônico de varredura para produzir uma imagem das características microscópicas que criam sua textura. Escamas de cobra são invisivelmente pequenas, estruturas semelhantes a cabelos, chamadas fibrilas. Embora tenham apenas um mícron de comprimento - cerca de 1/100 da largura de um cabelo humano - as fibrilas, e como eles estão dispostos na parte inferior da cobra, são a chave para sua capacidade de gerar atrito.

O posicionamento das fibrilas, junto com o tamanho, forma, rigidez, e a distribuição de escalas cria um perfil de fricção exclusivo para cada cobra - que é o que Abdel-Aal trabalhou para capturar e catalogar.

Cobras de engenharia reversa

Com a pele de cobra "mapeada", a equipe de Abdel-Aal pode descobrir os padrões significativos de recursos de textura que contribuem para mover a cobra em seu ambiente.

“A adaptação aos requisitos locais requer especialização na forma, geometria e propriedades mecânicas dos blocos de construção da pele, ", disse ele." As implicações da adaptação às condições locais são intrigantes porque fornecem um local para decodificar elementos de design de superfície em cobras - tal processo tem o potencial de render muitas lições aplicáveis ​​ao design de superfícies tecnológicas. "

Além de categorizar padrões de escamas e distribuição de fibrilas sobre o corpo da cobra, O trabalho de Abdel-Aal sintetiza volumes de pesquisa sobre a física do movimento da cobra e medidas das forças de atrito exercidas pelas cobras enquanto ondulam, deslizar, deslize e vento lateral.

Ao cruzar essas medidas com o perfil de textura que ele criou para cada cobra, Abdel-Aal pode relacionar as características físicas com seu impacto na mecânica da cobra.

Por exemplo, a textura da escama e musculatura de grandes cobras, como jibóias e pítons foi otimizado para retilíneo, ou movimento em linha reta. Para que esse tipo de movimento ocorra, a cobra basicamente levanta parte de seu corpo e salta para a frente, empurrando contra o chão com partes de suas escamas. Ao olhar atentamente para essas seções da pele da cobra, é evidente que há mais fibrilas nas partes "impulsoras" do corpo da cobra, que criam atrito suficiente para permitir que deslize para a frente nas outras escalas.

Escalas para Chevrons

Para fazer uma relação direta entre as películas e as superfícies projetadas, Abdel-Aal revisou pesquisas sobre superfícies texturizadas a laser que realizaram uma inspeção microscópica semelhante e um inventário das características da superfície. Essas técnicas de texturização, como laser e corrosão química, jato de areia, e deposição, crie superfícies com perfis de fricção muito específicos para coisas como cilindros de motor e componentes hidráulicos em máquinas.

Mas eles compartilham um detalhe importante com a texturização encontrada na natureza.

"O bloco de construção básico no caso de superfícies de pele de cobra e de engenharia texturizada é um elemento de textura que se repete em uma distribuição de matriz, "Abdel-Aal escreve." Espaçamento, comprimento, orientação e forma da denticulação é, em geral, comum a uma determinada família de cobras. Superfícies projetadas, por outro lado, apresentam blocos de construção texturais, como cones, covinhas, e divisas, distribuído na superfície. Portanto, ambos os tipos de superfícies compartilham uma origem de construção comum. "

As características físicas predominantes das superfícies texturizadas são canais microscópicos, covinhas e saliências, que são dispostos para garantir atrito consistente em um sistema lubrificado. Os engenheiros descrevem as texturas de superfície em termos da média das medidas desses recursos. Portanto, a "rugosidade" seria quantificada pela média da altura das saliências, calculando a área total coberta por eles, ou determinar sua esbeltez comparando a altura da saliência com a área de sua base.

Medidas microscópicas das características de textura da pele de cobra permitem que Abdel-Aal faça a relação direta entre as fibrilas e as saliências. Portanto, as mesmas medidas de rugosidade podem ser aplicadas às cobras simplesmente calculando a altura da fibrila, esbeltez e distribuição geral nas escalas.

Esta descoberta, Abdel-Aal afirma, torna possível integrar a padronização funcional de uma cobra em superfícies projetadas para criar texturas com comportamentos previsíveis.

Ganhando tração

"Para que o design de superfície bioinspirada seja eficaz, precisávamos desenvolver um vocabulário comum para descrever recursos de texturização ", escreve Abdel-Aal." Descobrimos que três parâmetros principais pareciam se traduzir amplamente entre as saliências e covinhas das superfícies texturizadas e as fibrilas da pele de cobra:área total do recurso, relação característica-superfície, saliência / altura e relação altura-base. "

Ao classificar as peles de cobra de acordo com essas medidas, surgiu um padrão interessante. Muitas das "taxas de texturização recomendadas" que os pesquisadores descobriram através da produção e teste de superfícies projetadas são as mesmas que já existem em cobras.

"É impressionante que a pesquisa de engenharia nos últimos 25 anos tenha chegado à mesma solução de design, em termos de personalização de características de superfície para promover a eficiência do movimento, que as cobras evoluíram ao longo de milhões de anos, "Abdel-Aal disse." Embora signifique que os engenheiros provavelmente chegaram à resposta certa, também sugere que os dados do estudo de cobras podem nos guiar a essas conclusões com muito mais eficiência - acelerando assim o desenvolvimento de novos paradigmas de construção de superfície que podem tirar vantagens das ferramentas de manufatura em rápida evolução. "

Agora que o trabalho de Abdel-Aal está permitindo que os engenheiros comparem as características da superfície e da cobra - covinhas em covinhas - alguns já começaram a aplicá-lo para melhorar o desempenho de sistemas que dependem de um gerenciamento cuidadoso do atrito.

Colaboradores na Colômbia projetaram e testaram uma superfície para uma articulação protética do quadril guiados pelos dados tribológicos coletados da análise de Abdel-Aal da pele de Royal Python. Com base no trabalho de Abdel-Aal e seus colaboradores, pesquisadores no U. K. estão desenvolvendo esquemas de texturização para insertos de ferramentas usados ​​na usinagem a seco de titânio. Esses designs de insertos bioinspirados maximizam o atrito enquanto minimizam o calor residual no processo. E engenheiros alemães publicaram recentemente um trabalho em camisas de cilindro inspiradas em cobras que permitem que as superfícies minimizem o atrito, seja para frente ou para trás.

Abdel-Aal tem publicado seus conjuntos de dados para que qualquer engenheiro possa usá-los. Mas ele também planeja construí-los em um algoritmo que possa se encaixar perfeitamente no processo de design de superfície.

"Construir superfícies bioinspiradas tem um objetivo mais amplo do que meramente a replicação de bio-texturização. Em essência, busca estender os benefícios tribológicos potenciais das superfícies reptilianas ao domínio das superfícies de engenharia humana, "Abdel-Aal escreve no jornal." Embora o campo esteja se desenvolvendo rapidamente, há uma necessidade premente de uma cooperação mais profunda entre as comunidades de interessados. Acredito que esta linguagem comum entre biologia e tribologia permitirá a comunicação cruzada necessária para esta cooperação. "