受日本Kirigami启发的鞋面涂料可改善光滑表面的牵引力

麻省理工学院的研究人员借鉴了折纸的一种折纸方法，包括切纸和折叠，以创建一种摩擦增强材料，该材料可以用来覆盖鞋底，从而使它们在冰和其他光滑表面上的抓地力更强。 。

受日本剪纸艺术启发的材料可以帮助防止在冰冷或湿滑的条件下掉落。

受到日本剪纸艺术的启发，麻省理工学院的工程师设计了一种摩擦增强材料，可用于在鞋底涂漆，从而使它们在冰和其他光滑表面上的抓地力更强。

研究人员利用kirigami（折纸的一种变体）来制作新的涂层，该折纸包括切纸和折叠纸张。实验室测试表明，当人们穿着浸有褶纸的鞋子在冰冷的表面上行走时，它们产生的摩擦力要比未涂覆的鞋子大。

研究人员说，将这种涂料掺入鞋中可以帮助防止在冰和其他危险表面上发生危险的跌落，特别是在老年人中。

麻省理工学院机械系助理教授Giovanni Traverso表示：“通过这项工作，我们着手应对防止跌倒的挑战，特别是在冰冷，光滑的表面上跌倒，并开发了基于kirigami的系统，该系统有助于增加与表面的摩擦。”工程，布里格姆妇女医院的胃肠病学家以及哈佛医学院的助理教授。

Traverso和哈佛大学应用力学教授Katia Bertoldi是这项研究的资深作者，该研究今天发表在《自然生物医学工程》上。麻省理工学院研究科学家Sahab Babaee以及MIT研究生Simo Pajovic和哈佛大学前博士后艾哈迈德·拉夫桑贾尼（Ahmad Rafsanjani）是该论文的主要作者。

Kirigami是一种艺术形式，涉及将复杂的图案切成纸片，然后将它们折叠以创建三维结构。最近，一些科学家已经使用这种技术来开发新材料，例如可以更牢固地粘在膝盖和其他关节上的绷带，以及可以用来覆盖软机器人皮肤并帮助他们在太空中定向的传感器。

在这种情况下，团队采用这种方法在塑料或金属薄片上创建复杂的尖峰图案。这些贴在鞋底上的床单在穿用者站立时保持平坦，但是钉子在自然的行走过程中会突然冒出。

“这种类型的表面的新颖之处在于我们具有从2D平面到3D几何形状的形状过渡，并带有可伸出的针头，” Babaee说。“您可以使用这些元素来控制摩擦，因为锋利的针头可以根据您施加的弹力弹入和弹出。”

研究人员创建并测试了几种不同的设计，包括重复图案如正方形，三角形或曲线的尖峰。对于每种形状，他们还测试了不同的尺寸和布置，并将图案切成塑料板和不锈钢。对于每种设计，他们都测量了材料被拉伸时的刚度和尖峰突然弹出的角度。

他们还测量了每种设计在各种表面（包括冰，木材，乙烯基地板和人造草皮）上产生的摩擦。他们发现所有设计都增加了摩擦力，其中凹曲线的模式产生了最佳效果。

然后，研究人员将凹曲线涂层用于人类志愿者的测试。他们将涂料附着在包括运动鞋和冬靴在内的各种类型的鞋子上，并测量了被测者走过一块测力板（该测力板是一种测量施加在地面上的力的工具）时产生的摩擦力的装置，该测力板的厚度为1英寸一层冰。

他们发现，在附着了kirigami涂层的情况下，产生的摩擦力比仅鞋子所产生的摩擦力高20％至35％。

防止跌倒

研究人员现在正在努力确定附着和合并kirigami表面的最佳方法。他们正在考虑将它们嵌入鞋底或将它们设计为可以在需要时附加的单独元素。他们还在探索使用不同材料的可能性，例如带有增强钢头的橡胶状聚合物。

尽管研究人员最初的动机是防止在冰冷的表面上打滑，但他们希望这种鞋的抓地力在其他环境（例如潮湿或油腻的工作环境）中也很有用。

Traverso说：“我们正在寻找使该系统商业化的潜在途径，以及通过不同的用例进一步开发该系统。”

参考：Sahab Babaee，Simo Pajovic，Ahmad Rafsanjani，Yichao Shi，Katia Bertoldi和Giovanni Traverso撰写的“生物启发的kirigami超表面作为辅助鞋的抓地力”，2020年6月1日，自然生物医学工程。DOI：
10.1038 / s41551-020-0564-3

该研究由麻省理工学院机械工程系，美国国家科学基金会和瑞士国家科学基金会资助。