Si vous voulez savoir comment faire une sneaker avec une meilleure traction, il suffit de demander à un serpent. C'est la théorie qui guide les recherches d'Hisham Abdel-Aal, Doctorat., un professeur agrégé d'enseignement du Collège d'ingénierie de l'Université Drexel qui étudie la peau de serpent pour aider les ingénieurs à améliorer la conception des surfaces texturées, tels que les chemises de cylindre de moteur, articulations prothétiques - et oui, peut-être même des chaussures.

Abdel-Aal, un ingénieur mécanicien ayant une expertise en tribologie, l'étude du frottement, collecte et analyse des peaux de serpents depuis près d'une décennie dans le but de comprendre et de quantifier la façon dont elles génèrent des frictions lorsqu'elles se déplacent. Dans un article récemment publié dans le Journal du comportement mécanique des matériaux biomédicaux Abdel-Aal explique comment ces « données naturelles » peuvent être intégrées dans la conception de produits commerciaux qui glissent et collent, un processus appelé « ingénierie de surface bio-inspirée ».

"La nature a influencé de nombreux domaines de l'ingénierie et de la conception, mais la tribologie est un domaine d'étude qui a été quelque peu négligé lorsqu'il s'agit d'apprendre de la nature, " a déclaré Abdel-Aal. " Les serpents en particulier ont beaucoup à nous apprendre sur l'optimisation de la glisse et de l'adhérence. Leur existence dépend de l'efficacité du mouvement dans des environnements très spécifiques. Les serpents que nous étudions aujourd'hui sont le résultat d'un processus évolutif qui a pleinement adapté la microstructure de leur peau et la structure de leur corps pour se déplacer et survivre dans leur habitat dès le premier jour. Ces environnements peuvent être brutaux même sur nos machines les plus avancées, donc appliquer ce que nous savons sur la texturation des serpents pourrait également aider notre technologie à s'adapter. »

Mais écouter les conseils de conception de la nature nécessite un peu de traduction. Le travail d'Abdel-Aal dans ce domaine devient rapidement la norme pour aider les ingénieurs à exploiter le potentiel du contrôle de la friction des serpents pour la conception de surfaces.

Ses recherches les plus récentes distillent les traits de texture de la peau de serpent - glanés à partir de l'analyse de 350 peaux complètes provenant de 40 espèces différentes - les associent aux caractéristiques standard des surfaces industrielles texturées et suggèrent comment ce cadre peut être utilisé pour synthétiser des "surfaces intelligentes" avec de nouvelles capacités de friction.

Deviner et vérifier

Bien que ce soit une force de la nature toujours présente que les scientifiques, les ingénieurs et les concepteurs ont étudié et lutté avec comme bruit de fond pendant des siècles, lorsqu'il s'agit d'exercer des frictions pour nos usages, une grande partie de notre compréhension moderne reste entourée de mystère.

Une partie de cela, Abdel-Aal suggère, C'est parce que nos relations avec la friction ont évolué en essayant constamment de la nier avec des lubrifiants ou de la maximiser avec de la texture, mais presque toujours dans la poursuite d'objectifs marche-arrêt. Une fois cet objectif spécifique atteint, qu'il s'agisse de faire en sorte qu'un piston de moteur produise une certaine puissance, ou un crampon de football qui fonctionne sur un terrain boueux - le travail qui y est consacré contribue rarement à une compréhension plus large de la friction.

« La conception de la texture est toujours considérée comme un « art noir », à l'effet qu'il existe actuellement un écart entre les technologies de texturation habilitantes disponibles et un paradigme conceptuel de conception de texture, " écrit-il dans une revue des surfaces fonctionnelles. Abdel-Aal note qu'une telle compréhension améliorerait non seulement l'efficacité de ces défis de conception spécifiques, mais cela pourrait aussi inspirer une utilisation plus large du frottement dans la conception de nouvelles surfaces.

Le guide présenté par Abdel-Aal élimine une grande partie des conjectures de la texturation et permet aux concepteurs de faire des choix intentionnels, soutenus par les commentaires des experts en tribologie glissante.

Trouver le modèle

Pour discerner les éléments qui donnent au serpent son talent pour gérer les frictions, Abdel-Aal a analysé sa réserve d'échantillons de peau avec le détail, et attention à la topographie, d'un cartographe traçant une carte.

Son stock d'excréments a commencé avec quelques échantillons d'amis avec un python royal et est passé à plusieurs centaines avec un peu d'aide du zoo de Philadelphie et de l'Académie des sciences naturelles.

Il est important d'étudier la peau telle que le serpent l'aurait portée, alors quand Abdel-Aal obtient un nouvel échantillon, il le fait d'abord tremper dans l'eau, pour le rendre plus durable, puis le retourne à l'envers, puisque la plupart des serpents perdent leur peau comme une chaussette tubulaire retirée à la hâte.

Puis il le monte sur du papier quadrillé et le numérise pour créer un enregistrement permanent avec un cadre de référence visuel. À partir de là, lui et ses associés de recherche peuvent commencer à prendre des mesures détaillées de la forme et de la taille des écailles, et leur positionnement, les uns par rapport aux autres et autour du corps du serpent.

Finalement, il examine la peau avec un microscope électronique à balayage pour produire une image des caractéristiques microscopiques qui créent sa texture. Les écailles de serpent sont invisiblement petites, structures ressemblant à des cheveux, appelés fibrilles. Bien qu'elles ne mesurent qu'un micron de longueur - environ 1/100e de la largeur d'un cheveu humain - les fibrilles, et comment ils sont disposés sur le dessous du serpent, sont la clé de sa capacité à générer des frictions.

Le positionnement des fibrilles, avec la taille, forme, raideur, et la distribution des écailles crée un profil de friction unique pour chaque serpent, ce qu'Abdel-Aal s'est efforcé de capturer et de cataloguer.

Serpents de rétro-ingénierie

Avec la peau de serpent "cartographiée", l'équipe d'Abdel-Aal peut démêler les motifs significatifs des caractéristiques de texture qui contribuent toutes à déplacer le serpent dans son environnement.

« L'adaptation aux exigences locales nécessite une spécialisation dans la forme, géométrie et propriétés mécaniques des briques de la peau, " a-t-il dit. " Les implications de l'adaptation aux conditions locales sont intrigantes car elles fournissent un lieu pour décoder des éléments de conception de surface chez les serpents - un tel processus a le potentiel de donner de nombreuses leçons applicables à la conception de surfaces technologiques. "

En plus de catégoriser les modèles d'écailles et de distribution de fibrilles sur le corps du serpent, Les travaux d'Abdel-Aal synthétisent des volumes de recherches sur la physique du mouvement des serpents et des mesures des forces de friction exercées par les serpents lorsqu'ils ondulent, glisser, toboggan et vent latéral.

En croisant ces mesures avec le profil de texture qu'il a créé pour chaque serpent, Abdel-Aal peut relier les traits physiques à leur impact sur la mécanique du serpent.

Par exemple, la texture et la musculature des écailles des grands serpents, tels que les boas et les pythons a été optimisé pour les rectilignes, ou mouvement en ligne droite. Pour que ce type de mouvement se produise, le serpent soulève essentiellement une partie de son corps et vacille vers l'avant en poussant contre le sol avec des sections de ses écailles. En regardant attentivement ces sections de la peau de serpent, il est évident qu'il y a plus de fibrilles sur les parties "poussantes" du corps du serpent, qui créent suffisamment de friction pour lui permettre de glisser vers l'avant sur les autres écailles.

Échelles aux chevrons

Pour établir une relation directe entre les peaux et les surfaces d'ingénierie, Abdel-Aal a passé en revue les recherches sur les surfaces texturées au laser qui ont mené une inspection microscopique similaire et un inventaire des caractéristiques de surface. Ces techniques de texturation, telles que la gravure laser et chimique, sablage, et dépôt, créer des surfaces avec des profils de friction très spécifiques pour des choses comme les cylindres de moteur et les composants hydrauliques des machines.

Mais ils partagent un détail important avec la texture trouvée dans la nature.

"Le bloc de construction de base dans le cas des surfaces en peau de serpent et texturées est un élément de texture qui se répète dans une distribution de réseau, ", écrit Abdel-Aal. "Espacement, longueur, l'orientation et la forme de la denticulation sont, en général, commun à une famille particulière de serpents. Surfaces d'ingénierie, d'autre part, comportent des blocs de construction texturaux tels que des cônes, fossettes, et chevrons, répartis en surface. Par conséquent, les deux types de surfaces partagent une origine de construction commune."

Les caractéristiques physiques prédominantes des surfaces texturées sont des canaux microscopiques, fossettes et saillies, qui sont disposés pour assurer une friction constante dans un système lubrifié. Les ingénieurs décrivent les textures de surface en termes de moyenne des mesures de ces caractéristiques. Ainsi, la « rugosité » serait quantifiée en faisant la moyenne de la hauteur des saillies, calculer la superficie totale qu'ils couvrent, ou déterminer leur élancement en comparant la hauteur de la saillie à la surface de sa base.

Les mesures microscopiques des caractéristiques de la texture de la peau de serpent permettent à Abdel-Aal de faire la relation directe entre les fibrilles et les protubérances. Ainsi, les mêmes mesures de rugosité peuvent être appliquées aux serpents simplement en calculant la hauteur des fibrilles, l'élancement et la répartition globale sur les écailles.

Cette percée, Abdel-Aal affirme, permet d'intégrer les motifs fonctionnels d'un serpent sur des surfaces conçues pour créer des textures aux comportements prévisibles.

Gagner en traction

"Pour que la conception de surface bio-inspirée soit efficace, nous avions besoin de développer un vocabulaire commun pour décrire les caractéristiques de texturation ", écrit Abdel-Aal. " Nous avons constaté que trois paramètres principaux semblaient se traduire globalement entre les protubérances et les fossettes des surfaces texturées et les fibrilles de la peau de serpent :la surface totale de la caractéristique, rapport caractéristiques/surface, rapport saillie/hauteur et hauteur/base."

En classant les peaux de serpent selon ces mesures, un modèle intéressant a émergé. Bon nombre des « rapports de texture recommandés » que les chercheurs ont trouvés grâce à la production et aux tests de surfaces techniques sont les mêmes que ceux qui existent déjà chez les serpents.

« Il est frappant de constater que la recherche en ingénierie au cours des 25 dernières années est parvenue à la même solution de conception, en termes de personnalisation des caractéristiques de surface pour favoriser l'efficacité du mouvement, que les serpents ont évolué sur des millions d'années, " a déclaré Abdel-Aal. " Bien que cela signifie que les ingénieurs sont probablement arrivés à la bonne réponse, cela suggère également que les données issues de l'étude des serpents pourraient nous guider beaucoup plus efficacement vers ces conclusions, accélérant ainsi le développement de nouveaux paradigmes de construction de surface qui peuvent tirer parti des outils de fabrication en évolution rapide. »

Maintenant que les travaux d'Abdel-Aal permettent aux ingénieurs de comparer les caractéristiques des surfaces et des serpents, des fossettes contre des fossettes, certains ont déjà commencé à l'appliquer pour améliorer les performances des systèmes qui dépendent d'une gestion minutieuse de la friction.

Des collaborateurs en Colombie ont conçu et testé une surface pour une articulation de la hanche prothétique guidée par les données tribologiques glanées à partir de l'analyse d'Abdel-Aal sur la peau du python royal. Sur la base des travaux d'Abdel-Aal et de ses collaborateurs, des chercheurs britanniques développent des schémas de texturation pour les plaquettes d'outils utilisées dans l'usinage à sec du titane. Ces conceptions d'insert bio-inspirées maximisent la friction tout en minimisant la chaleur résiduelle dans le processus. Et les ingénieurs allemands ont récemment publié des travaux sur les chemises de cylindre inspirées des serpents qui permettent aux surfaces de minimiser les frictions, qu'elles se déplacent vers l'avant ou vers l'arrière.

Abdel-Aal a publié ses ensembles de données afin que tous les ingénieurs puissent les utiliser. Mais il prévoit également de les intégrer dans un algorithme qui pourrait s'intégrer parfaitement dans le processus de conception de surface.

"La construction de surfaces bio-inspirées a un objectif plus large que la simple réplication de la bio-texturation. En substance, il cherche à étendre les avantages tribologiques potentiels des surfaces reptiliennes au domaine des surfaces artificielles, ", écrit Abdel-Aal dans le journal. "Bien que le domaine se développe rapidement, il existe un besoin urgent d'une coopération plus approfondie entre les communautés d'acteurs. Je pense que ce langage commun entre la biologie et la tribologie permettra la communication croisée nécessaire à cette coopération."