科學(xué)家發(fā)現(xiàn)可以解釋機(jī)器人握住濕物體時(shí)發(fā)生摩擦的新物理定律

一直以來，接觸潮濕的表面，對(duì)機(jī)器人來說是巨大的挑戰(zhàn)。

最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的物理定律，可以解釋機(jī)器人握住濕物體時(shí)發(fā)生的摩擦。這種新發(fā)現(xiàn)的摩擦機(jī)理，可能會(huì)促進(jìn)誕生更適合外科手術(shù)的機(jī)器人設(shè)計(jì)。

“我們的工作為在遠(yuǎn)程手術(shù)和制造業(yè)等領(lǐng)域創(chuàng)建更可靠、功能更強(qiáng)的觸覺和機(jī)器人設(shè)備打開了大門，” 在和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律之后，北卡羅萊納州立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程學(xué)助理教授 Lilian Hsiao 表示。

北卡羅萊納州立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程學(xué)的博士畢業(yè)生彭云鵠，是發(fā)現(xiàn)上述解釋機(jī)器人摩擦的新物理定律的主要研究人員之一，也是 Lilian Hsiao 課題組的學(xué)生，他說該研究將推動(dòng)眾多機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

近日，其以第一作者身份在《自然?材料》上發(fā)表了相關(guān)論文，論文題為《機(jī)器人和人手指的彈性動(dòng)力摩擦》（Elastohydrodynamic friction of robotic and human fingers on soft micropatterned substrates）。

摩擦是物理的中心主題之一，摩擦無處不在也非常必要，它能幫助我們握住東西而不會(huì)掉落。

盡管機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)廣泛使用，但研發(fā)人員很難考慮機(jī)器人在抓取物體時(shí)產(chǎn)生的摩擦，特別是在潮濕的環(huán)境中。不同于人類可以憑直覺去握住濕的物體，以防止物體滑出我們的手。對(duì)于機(jī)器人而言，這一直是非常困難的挑戰(zhàn)。

大多數(shù)摩擦滑動(dòng)的相互作用都涉及到粗糙的表面。這種摩擦過程在物理學(xué)中具有基本意義，這早已體現(xiàn)在幾個(gè)世紀(jì)的研究中。它們?cè)诋?dāng)今不同的行業(yè)領(lǐng)域也具有重要的實(shí)際重要性。

但是，流體耗散、固體變形和局部流動(dòng)導(dǎo)向效應(yīng)之間，有著復(fù)雜的相互作用，因此人類尚未完全了解圖案化表面的潤滑滑動(dòng)。

作為一種特殊摩擦，彈性流體動(dòng)力潤滑摩擦 （elastohydrodynamic lubrication，EHL） 一直難以被研究，它是兩個(gè)固體表面之間的摩擦類型，固體表面之間會(huì)被一層流體隔開。

這種摩擦的常見場(chǎng)景有，當(dāng)你用指尖互相摩擦?xí)r會(huì)產(chǎn)生一種摩擦，但是你的皮膚上存在著一層天然油脂的薄層流體。這種摩擦，還常見于沾滿洗手液泡沫的雙手、以及用手觸摸水果店水果去了解成熟度。

人類對(duì)于這種摩擦，相對(duì)比較可控。這是因?yàn)槠つw中的數(shù)千上萬的觸覺機(jī)械感受器，可以向神經(jīng)系統(tǒng)提供必要的反饋，從而能夠快速調(diào)節(jié)握力。

但是，在開發(fā)控制機(jī)器人抓握能力的材料時(shí)，很難處理彈性流體動(dòng)力潤滑摩擦。

想象一下，當(dāng)截肢患者正在使用機(jī)械臂，或者醫(yī)生正在進(jìn)行顯微外科手術(shù)，對(duì)于這種摩擦往往很難控制。

舉例來說，機(jī)器人手臂、以及具備抓握能力的觸覺材料，在制備過程中都需考慮到摩擦。但是，由于此前人類對(duì) EHL 的理解有限，研究人員在研發(fā)擁有可調(diào)摩擦特性的材料、以及使用相關(guān)技術(shù)時(shí)，會(huì)受到一定限制，而這會(huì)影響觸碰屏等器件制造、遠(yuǎn)程手術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

受人類抓取能力的啟發(fā)，機(jī)器人系統(tǒng)的目的是設(shè)計(jì)具有機(jī)械屬性、傳感器和反饋原理的抓握器，以提高抓握器的穩(wěn)定性。新興的觸覺技術(shù)，可通過電粘附或超聲波振動(dòng)，來調(diào)節(jié)摩擦來模擬自然表面的感覺。然而，捕捉真實(shí)表面的感覺仍然具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橹灰?EHL 仍然存在，這些挑戰(zhàn)依然會(huì)在。

也就是說，要想制備出能控制 EHL 摩擦的材料，研究人員需要一個(gè)可兼容各種樣式、各種材料和各種運(yùn)行條件的框架，而這正是本次研究的初衷。

發(fā)現(xiàn)新定律，助力機(jī)器人制備

期間，彭云鵠發(fā)現(xiàn)一種新定律，該定律可控制圖案化表面上的彈性流體動(dòng)力潤滑的峰值摩擦值。在平滑摩擦對(duì)中，并不存在峰值摩擦值。因?yàn)?，這種不同源于在有紋理的表面，流體產(chǎn)生了不同的流動(dòng)方式。

本次研究中，運(yùn)用彭云鵠發(fā)現(xiàn)的新定律，只要能對(duì)物體表面進(jìn)行構(gòu)圖，即可控制彈性流體動(dòng)力潤滑摩擦，并可將其應(yīng)用于許多不同的軟系統(tǒng)。

通過改變軟摩擦對(duì)的幾何形狀、流體特性和彈性，并使用流變儀測(cè)量潤滑摩擦，即可生成一種框架模型。這款模型能預(yù)測(cè)生物啟發(fā)的機(jī)器人指尖和人類手指的 EHL 摩擦。

由于其具備廣泛適用性，因此可給機(jī)械手和抓手的設(shè)計(jì)提供信息，此外還開辟出一種將摩擦編碼轉(zhuǎn)為觸覺信號(hào)的新方法。

圖 | 在具有圖紋的軟物質(zhì)表面的正壓力，摩擦，以及潤滑膜厚度在不同滑動(dòng)速度下的變化（來源：受訪者）

只要能對(duì)物體的表面進(jìn)行構(gòu)圖，該定律就可以用來解釋 EHL 摩擦，并且可以將其應(yīng)用到許多不同的軟物質(zhì)系統(tǒng)中。在這種情況下，表面圖案可以是任何東西，如從手指尖上略微凸起的表面、到機(jī)器人工具表面上的凹槽。

彭云鵠觀察到，長度在 10μm 至 100μm 之間的圖案，在 EHL 摩擦中滑動(dòng)到另一個(gè)表面時(shí)，會(huì)在 EHL 摩擦中引入唯一一個(gè)局部峰值。

在彭云鵠的系統(tǒng)中，h 被定義為靜止模式的頂部和滑動(dòng)表面的底部之間的距離，然后他使用雷諾茲方程預(yù)測(cè)了 FS~U/h 和 FN~U/h2。

其中，摩擦空氣的體積摩擦系數(shù) μ，由 μ=FS/FN 給出，并且 h 的細(xì)小變化也會(huì)產(chǎn)生 μ 的實(shí)質(zhì)性變化。雖然可以用專門的雙折射和干涉測(cè)量來直接測(cè)量 h，但這樣測(cè)量的 h 的分辨率在光學(xué)上限制在～3μm 以下?？偨Y(jié)來說，這些數(shù)值方法提供了一個(gè)令人滿意的 μ 模型。

其中，他利用四個(gè)方程式解釋了 EHL 所需的物理力，并分別在三個(gè)系統(tǒng)中證明了該規(guī)律：人類手指；受生物啟發(fā)的機(jī)器人指尖；以及一個(gè)稱為摩擦流變儀的工具，該工具可用于測(cè)量摩擦力。

從表面上來看，這三種體系從受力面積，表面圖案等幾方面來看截然不同。尤其是人類以及機(jī)器手指兩個(gè)體系無法像摩擦流變儀一樣控制受力。然而，這三個(gè)系統(tǒng)的的具體證明過程都有著如下的過程：

為了解這種效果、并為 EHL 摩擦的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)框架，彭云鵠使用雷諾潤滑理論，對(duì)剪切力 FS、和法向力 FN 相對(duì)于滑動(dòng)速度 U 和流體膜厚 h 的變化做以建模。

隨后他發(fā)現(xiàn)，半分析理論、統(tǒng)計(jì)分析表明、線性回歸和所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間，都具備極好的一致性。

綜上所述，針對(duì)三個(gè)不同系統(tǒng)的適用性，該設(shè)計(jì)原理可開辟出很多機(jī)會(huì)，其中包括通過改變軟表面圖案，來改變潤滑摩擦。

這一發(fā)現(xiàn)的意義在于，一旦我們對(duì)觸覺拓寬了認(rèn)知，機(jī)器人就能和潮濕表面進(jìn)行物理接觸，就可誕生出能在潮濕和骯臟的條件下進(jìn)行抓握的機(jī)器人。

該研究顯示，三角弓的伸縮行為可擴(kuò)展到人類和機(jī)器人的手指，并闡明了在圖案表面的抓取和觸覺探索中影響摩擦的因素。

這意味著，本次研究中的框架可研究 EHL 在減小彈性和圖案幾何形狀之間保持平衡的規(guī)律，以此解決阻礙 EHL 理論廣泛應(yīng)用的基本挑戰(zhàn)，從而推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的廣泛發(fā)展。

在遠(yuǎn)程外科領(lǐng)域，借助該規(guī)律可制備出觸覺更強(qiáng)的機(jī)器人，從而讓外科醫(yī)生通過遠(yuǎn)程控制機(jī)器人設(shè)備、來執(zhí)行外科手術(shù)。

在更廣泛的領(lǐng)域如食品設(shè)計(jì)、化妝品設(shè)計(jì)、景觀演變中，該規(guī)律都可扮演重要作用。

談及未來的落地計(jì)劃，彭云鵠告訴 DeepTech：“本研究所展示的物理規(guī)律確實(shí)能夠幫助設(shè)計(jì)更靈敏的機(jī)器人手，然而該規(guī)律的應(yīng)用不僅于此，還能夠用在日用消費(fèi)品領(lǐng)域，比如食品和化妝品配方的設(shè)計(jì)?！?/p>

人類的手指其實(shí)是含有圖紋的軟物質(zhì)，與其同理的是我們的舌尖，人類舌頭上的味蕾也可以被看做是含有圖紋的軟物質(zhì)。

當(dāng)我們涂抹化妝品以及咀嚼食物時(shí)，不同配方的化妝品和食物會(huì)給消費(fèi)者不同的感受，究其原因就是因?yàn)檫@些過程中產(chǎn)生了不同的 EHL 摩擦。

但是，人類手指由于富含神經(jīng)，可以感受非常細(xì)微的摩擦力的區(qū)別，對(duì)于舌尖來說，味蕾在咀嚼過程中會(huì)產(chǎn)生彎曲從而反饋出不同的摩擦力。

然而人類手指以及味蕾的圖紋，有著比較固定的特征長度，依據(jù)本次論文中圖 4 的結(jié)論，我們應(yīng)該感受到相同的摩擦，那這是否意味著圖 4 產(chǎn)生的結(jié)論就不適用于此了呢？

并不然。在本次研究中，彭云鵠等人僅僅取了 EHL 摩擦的峰值進(jìn)行分析?？梢灶A(yù)見的是，由于流體粘度以及其他特性的不同，在不同的摩擦速度下運(yùn)用相同的理論推導(dǎo)方式會(huì)產(chǎn)生新的類似于文章中圖 4 的模型曲線，從而幫助我們進(jìn)一步預(yù)測(cè)不同流體體系下的 EHL 摩擦。

在此情況下，食品以及化妝品領(lǐng)域可以應(yīng)用本研究中的模型設(shè)計(jì)出來對(duì)應(yīng)的配方，從而給予消費(fèi)者特定的摩擦反饋以及特定的感受。

事實(shí)上，軟物質(zhì)摩擦學(xué)（Soft tribology）在各個(gè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，除了本文介紹的幾個(gè)領(lǐng)域之外，該學(xué)科還在新型人工關(guān)節(jié)制造等領(lǐng)域有著相當(dāng)大的潛力，可以預(yù)見的是摩擦學(xué)整體在將來會(huì)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

原文標(biāo)題：物理新定律誕生，由中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，可幫助機(jī)械臂抓住潮濕物體，有望用于機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù) | 專訪

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