如何防止滑倒摔跤？這是一個(gè)與人們生活息息相關(guān)的科學(xué)問題。每年都有大量的人因?yàn)榛箤?dǎo)致不同程度的受傷，從而影響正常生活。尤其對(duì)于老年人而言，摔跤甚至可能意味著生命的結(jié)束。正是這樣一個(gè)“接地氣”的問題，引起了仿生領(lǐng)域科學(xué)家的注意，試圖通過鞋底材料的仿生設(shè)計(jì)來解決問題。
【研究成果】
近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院Giovanni Traverso團(tuán)隊(duì)受自然界中動(dòng)物千奇百怪的行走方式的影響，包括使用爪子（貓科動(dòng)物、鳥類）、鱗片（蛇類）等，利用玲瓏精巧的剪紙藝術(shù)，開發(fā)出一種可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)與地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底材料。該工作發(fā)表在自然雜志子刊《Nature Biomedical Engineering》上，題為：“Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips”。
【圖文解析】
1.Kirigami鞋底的設(shè)計(jì)原理。
在自然界中，動(dòng)物有多種策略來增加抓地力，提高生存能力。例如獵豹的半伸縮爪，啄木鳥的反相抓扣的鋒利爪子以及蛇類的同向排列鱗片（圖一a）。Kirigami是日本折紙的一種藝術(shù)形式，具有空間上的可變性，其樣式變化的靈感被廣泛地應(yīng)用于各類 “超材料” 的設(shè)計(jì)制備中。在本報(bào)道中，作者們使用鋼片在鞋底制備出kirigami結(jié)構(gòu)（圖一b），這種結(jié)構(gòu)可以在鞋底平放和彎曲變形時(shí)變換出不同的外形。簡(jiǎn)而言之，在步行過程中，通過改變鞋底的曲率來激活 “kirigami鞋釘” ，以增強(qiáng)鞋釘與步行表面之間的摩擦性能，并降低滑倒和摔倒的風(fēng)險(xiǎn)。
2.Kirigami鞋底不同鞋釘形狀的機(jī)械設(shè)計(jì)。
通過對(duì)切角（γ）和空間維度比（切片寬度δ與周期性柵格的特征長(zhǎng)度l之比）的調(diào)控，作者們?cè)O(shè)計(jì)了不同機(jī)械響應(yīng)模式的kirigami圖案，包括凹型、三角型和凸型三種鞋釘形狀。圖二a展示了這三種結(jié)構(gòu)受到不同面內(nèi)單軸應(yīng)變（ε22）時(shí)的單元變化的數(shù)字模擬快照。圖中色塊變化表示最大主塑性應(yīng)變的分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，施加的形變量觸發(fā)了屈曲不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致三種圖案模式都出現(xiàn)峰角屈曲和彈出。此外，如圖二b所示，對(duì)于20°< γ <60 °和0.05<δ/l<0.2這個(gè)范圍而言，可以觀測(cè)到不同鞋釘結(jié)構(gòu)的翹起角度隨著面內(nèi)單軸應(yīng)變（ε22）變化而變化。圖中虛線位置可以看出，在面內(nèi)應(yīng)變達(dá)到0.15時(shí)，鞋釘可以翹起約30°。對(duì)γ=30°，δ/l=0.06，0.1和0.15的三種鞋釘形狀的kirigami表面進(jìn)行有限元模擬可以發(fā)現(xiàn)（圖二c），當(dāng)被拉伸到正常步態(tài)時(shí)的最大拉伸應(yīng)變（ε22=0.15）后與硬板接觸時(shí)，δ/l=0.15的結(jié)構(gòu)表面可以帶來鞋釘翹起部分的最大硬度。
3.鞋釘?shù)男螤詈团挪紝?duì)kirigami鞋底的摩擦增強(qiáng)效果。
作者們隨后對(duì)三種形狀的鞋釘（凹型、三角型、凸型）在常態(tài)和彎曲時(shí)（圖三a）與不同基底（冰面、乙烯基基底和硬木）的摩擦力進(jìn)行表征。對(duì)于冰面和硬木而言，由于kirigami鞋釘穿透深度較淺，其摩擦模式為平滑模式，即達(dá)到靜態(tài)摩擦力的峰值后維持在動(dòng)態(tài)摩擦力的平臺(tái)期。而對(duì)于乙烯基這樣的半硬基底，鞋釘穿透進(jìn)基底而呈現(xiàn)出粘滑模式，即摩擦力在最大值和最小值之間周期性變化（圖三b）。不同形狀的鞋釘在不同基底上的規(guī)律也不盡相同，這與其穿透能力有關(guān)。此外，相對(duì)于具有同樣厚度同樣材質(zhì)的常規(guī)鞋底，所有kirigami結(jié)構(gòu)都具有明顯的抓地力優(yōu)勢(shì)（圖三c）。與此同時(shí)，鞋釘?shù)呐挪挤绞揭仓陵P(guān)重要，凹面鞋釘?shù)奈宸N不同排布（單向、三列、交替行、方格和鏡像）都呈現(xiàn)出不同的抓地效果（圖三d、e、f）。
4.人體實(shí)測(cè)行走時(shí)kirigami鞋底與地面摩擦力。
作者最后進(jìn)行了常規(guī)步幅行走時(shí)的鞋底摩擦力的真人測(cè)試（圖四a）。通過腳下的力學(xué)感應(yīng)器分別測(cè)試腳底三個(gè)正交方向的力值變化（Fx表示前進(jìn)方向、Fy表示橫向、Fz表示人體豎直方向上的力），其中橫向力幾乎為零。相同的志愿者保證法向力相同，與商品鞋底和對(duì)比組相比，kirigami鞋底展現(xiàn)出更強(qiáng)的最大摩擦力（圖四b）。此外，五種不同排布方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系數(shù)都接近是多種商品鞋底的兩倍。
【總結(jié)展望】
目前，作者們正在研究如何更好地附著和融合這種kirigami鞋底。他們正在考慮將其嵌在鞋體下，或者將其設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的元素，以便在需要時(shí)進(jìn)行附加。他們也在探索使用不同材料的可能性，例如帶有加強(qiáng)鋼尖端的橡膠聚合物。雖然研究人員最初的動(dòng)機(jī)是防止在結(jié)冰的表面上打滑，但他們預(yù)計(jì)這種鞋夾在其他環(huán)境下也會(huì)有用，比如潮濕或油性的工作環(huán)境。
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https://www.nature.com/articles/s41551-020-0564-3#Sec16
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