Om du vill veta hur man gör en sneaker med bättre grepp, fråga bara en orm. Det är teorin som driver forskningen av Hisham Abdel-Aal, Ph.D., en biträdande professor från Drexel University's College of Engineering som studerar ormskinn för att hjälpa ingenjörer att förbättra designen av strukturerade ytor, såsom motorcylinderfoder, lederproteser – och ja, kanske till och med skor.

Abdel-Aal, en maskiningenjör med expertis inom tribologi, studiet av friktion, har samlat och analyserat ormskinn i nästan ett decennium i ett försök att förstå och kvantifiera hur de skapar friktion när de rör sig. I en tidning som nyligen publicerades i Journal of the Mechanical Behaviour of Biomedical Materials Abdel-Aal förklarar hur denna "naturliga data" kan överföras till designen av kommersiella produkter som glider och fastnar - en process som kallas "bioinspirerad ytteknik."

"Naturen har informerat många områden inom teknik och design, men tribologi är ett studieområde som har förbisetts något när det gäller att lära av naturen, ", sa Abdel-Aal. "Särskilt ormar har mycket att lära oss om att optimera glid och grepp. Deras existens är beroende av effektiviteten av rörelse i mycket specifika miljöer. Ormarna vi studerar idag är resultatet av en evolutionär process som helt har anpassat mikrostrukturen i deras hud och deras kroppsstruktur för att röra sig och överleva i deras livsmiljö från dag ett. Dessa miljöer kan vara brutala även på vårt mest avancerade maskineri, så att tillämpa det vi vet om ormtexturering kan också hjälpa vår teknik att anpassa sig."

Men att lyssna på naturens designtips kräver en hel del översättning. Abdel-Aals arbete inom detta område håller snabbt på att bli standarden för att hjälpa ingenjörer att låsa upp potentialen hos ormfriktionskontroll för ytdesign.

Hans senaste forskning destillerar de strukturella egenskaperna hos ormskinn – hämtad från att analysera 350 kompletta skinn från 40 olika arter – matchar dem med standardegenskaperna hos texturerade industriella ytor och föreslår hur detta ramverk kan användas för att syntetisera "smarta ytor" med nya friktionsförmåga.

Gissa och kolla

Även om det är en ständigt närvarande naturkraft som forskare, ingenjörer och designers har studerat och brottats med som bakgrundsljud i århundraden, När det gäller att faktiskt använda friktion för våra användningsområden förblir mycket av vår moderna förståelse inneslutna i mysterium.

En del av detta, Abdel-Aal föreslår, beror på att vår hantering av friktion har utvecklats genom att ständigt försöka negera den med smörjmedel eller maximera den med textur – men nästan alltid i strävan efter on-off-mål. När det specifika målet har uppnåtts - vare sig det får en motorkolv att producera en viss mängd hästkrafter, eller en fotbollskloss som fungerar på en lerig plan – arbetet som gick in i den bidrar sällan till en bredare förståelse av friktion.

"Design av textur ses fortfarande som en "svart konst" med den effekten att det för närvarande finns ett gap mellan tillgängliga möjliggörande textureringsteknologier och ett konceptuellt texturdesignparadigm, " skrev han i en recension av funktionella ytor. Abdel-Aal noterar att en sådan förståelse inte bara skulle förbättra effektiviteten av dessa specifika designutmaningar, men det kan också inspirera till en bredare användning av friktion vid utformningen av nya ytor.

Den guide som Abdel-Aal presenterar tar bort mycket av gissningarna från texturering och tillåter istället designers att göra avsiktliga val – uppbackade av input från de glidande tribologiexperterna.

Att hitta mönstret

För att urskilja de element som ger en orm dess talang för att hantera friktion, Abdel-Aal analyserade sitt lager av hudprover med detaljerna, och uppmärksamhet på topografi, av en kartograf som ritar en karta.

Hans lager av avfall började med några prover från vänner med en kunglig python och har vuxit till flera hundra med lite hjälp från Philadelphia Zoo och Academy of Natural Sciences.

Det är viktigt att studera huden eftersom ormen skulle ha burit den, så när Abdel-Aal får ett nytt prov blötlägger han det först i vatten, för att göra den mer hållbar, vänder den sedan åt höger, eftersom de flesta ormar fäller sin hud som en hastigt borttagen tubstrumpa.

Sedan monterar han den på grafpapper och skannar den för att skapa en permanent post med en visuell referensram. Därifrån kan han och hans forskningsassistenter börja göra detaljerade mätningar av skalans form och storlek, och deras placering, i förhållande till varandra och om ormens kropp.

Till sist, han undersöker huden med ett svepelektronmikroskop för att producera en bild av de mikroskopiska egenskaperna som skapar dess struktur. Ormfjäll har osynligt små, hårliknande strukturer, kallas fibriller. Även om de bara är en mikron i längd - ungefär 1/100:e bredden av ett människohår - fibrillerna, och hur de är ordnade på ormens undersida, är nyckeln till dess förmåga att generera friktion.

Placeringen av fibrillerna, tillsammans med storleken, form, styvhet, och distribution av vågar skapar en unik friktionsprofil för varje orm – vilket är vad Abdel-Aal har arbetat för att fånga och katalogisera.

Reverse-engineering ormar

Med ormskinnet "kartlagt" kan Abdel-Aals team reta ut de betydande mönstren av strukturegenskaper som alla bidrar till att förflytta ormen i sin miljö.

"Anpassning till lokala krav kräver specialisering i form, geometri och mekaniska egenskaper hos hudens byggstenar, ", sa han. "Konsekvenserna av anpassning till lokala förhållanden är spännande eftersom de ger en plats för avkodning av element av ytdesign i ormar - en sådan process har potential att ge många lärdomar som är tillämpliga på design av tekniska ytor."

Förutom att kategorisera mönster av fjäll och fibrillfördelning om ormens kropp, Abdel-Aals arbete syntetiserar volymer forskning om ormrörelsens fysik och mått på friktionskrafterna som utövas av ormarna när de böljar sig, hasa, glid och sidvind.

Genom att korsrefera dessa mått med texturprofilen han skapade för varje orm, Abdel-Aal kan relatera de fysiska egenskaperna till deras inverkan på ormens mekanik.

Till exempel, skalstrukturen och muskulaturen hos stora ormar, såsom boas och pytonslangar har optimerats för rätlinjiga, eller rätlinjerörelse. För att denna typ av rörelse ska inträffa, ormen lyfter i princip en del av sin kropp och slingrar sig framåt genom att trycka mot marken med delar av sina fjäll. När jag tittar noga på dessa delar av ormhuden, det är uppenbart att det finns fler fibriller på de "skjutande" delarna av ormens kropp, som skapar tillräckligt med friktion för att den ska kunna glida framåt på de andra vågarna.

Vågar till Chevrons

För att skapa en direkt relation mellan skinn och konstruerade ytor, Abdel-Aal granskade forskning om lasertexturerade ytor som genomförde en liknande mikroskopisk inspektion och inventering av ytegenskaper. Dessa textureringstekniker, såsom laser och kemisk etsning, sandblästring, och avsättning, skapa ytor med mycket specifika friktionsprofiler för saker som motorcylindrar och hydrauliska komponenter i maskiner.

Men de delar en viktig detalj med textureringen som finns i naturen.

"Den grundläggande byggstenen i fallet med både ormskinn och texturerade konstruerade ytor är ett texturelement som upprepas i en arrayfördelning, " skriver Abdel-Aal. "Avstånd, längd, orientering och form av dentikulation är, i allmänhet, gemensam för en viss familj av ormar. Konstruerade ytor, å andra sidan, har strukturella byggstenar som kottar, gropar, och chevrons, fördelat på ytan. Därför, båda typerna av ytor har ett gemensamt konstruktionsmässigt ursprung."

De dominerande fysiska egenskaperna hos de strukturerade ytorna är mikroskopiska kanaler, gropar och utsprång, som är arrangerade för att säkerställa konsekvent friktion i ett smord system. Ingenjörer beskriver ytstrukturer i termer av medelvärdet av mätningarna av dessa egenskaper. Så "grovhet" skulle kvantifieras genom att medelvärdet av höjden på utsprången beräknas, beräkna den totala yta som täcks av dem, eller bestämma deras slankhet genom att jämföra utsprångets höjd med området för dess bas.

Mikroskopiska mätningar av ormskinnets struktur gör att Abdel-Aal kan skapa den direkta relationen mellan fibriller och utsprång. Så samma grovhetsmått kan tillämpas på ormarna helt enkelt genom att beräkna fibrillhöjden, slankhet och övergripande fördelning på vågen.

Detta genombrott, Abdel-Aal hävdar, gör det möjligt att integrera det funktionella mönstret från en orm på konstruerade ytor för att skapa texturer med förutsägbara beteenden.

Får dragkraft

"För att bioinspirerad ytdesign ska vara effektiv, vi behövde utveckla ett gemensamt ordförråd för att beskriva strukturegenskaper" skriver Abdel-Aal. "Vi fann att tre huvudparametrar verkade översättas brett mellan utsprången och fördjupningarna på strukturerade ytor och fibrillerna i ormskinn:den totala arean av särdraget, egenskap-till-yta-förhållande, utsprång/höjd och höjd-till-basförhållande."

Vid klassificering av ormskinn enligt dessa mått, kom ett intressant mönster fram. Många av de "rekommenderade textureringsförhållandena" som forskare har hittat genom produktion och testning av konstruerade ytor är desamma som redan finns i ormar.

"Det är slående att ingenjörsforskning under de senaste 25 åren kom fram till samma designlösning, när det gäller anpassning av ytegenskaper för att främja effektiviteten av rörelse, att ormar har utvecklats under miljontals år, ", sa Abdel-Aal. "Även om det betyder att ingenjörer förmodligen har kommit fram till rätt svar, det tyder också på att data från att studera ormar skulle kunna vägleda oss till dessa slutsatser mycket mer effektivt – och därmed påskynda utvecklingen av nya ytkonstruktionsparadigm som kan dra fördelar av de snabbt utvecklande tillverkningsverktygen."

Nu när Abdel-Aals arbete tillåter ingenjörer att jämföra yt- och ormegenskaper – gropar med gropar – har vissa redan börjat använda det för att förbättra prestandan hos system som är beroende av noggrann friktionshantering.

Samarbetspartners i Colombia designade och testade en yta för en höftledsprotes styrd av tribologiska data från Abdel-Aals analys av Royal Python-hud. Baserat på arbetet av Abdel-Aal och hans medarbetare, forskare i Storbritannien utvecklar textureringssystem för verktygsskär som används vid torrbearbetning av titan. Dessa bioinspirerade skärdesigner maximerar friktionen samtidigt som den minimerar restvärme i processen. Och tyska ingenjörer publicerade nyligen arbete på orminspirerade cylinderfoder som gör att ytorna kan minimera friktionen oavsett om de rör sig framåt eller bakåt.

Abdel-Aal har publicerat sina datauppsättningar så att alla ingenjörer kan använda dem. Men han planerar också att bygga in dem i en algoritm som sömlöst kan passa in i ytdesignprocessen.

"Att konstruera bioinspirerade ytor har ett bredare mål än bara replikering av biotexturering. I huvudsak, det syftar till att utvidga de potentiella tribologiska fördelarna med reptilytor till området för mänskligt konstruerade ytor, ", skriver Abdel-Aal i tidskriften. "Även om området utvecklas snabbt finns det ett akut behov av ett mer djupgående samarbete mellan intressentgrupper. Jag tror att detta gemensamma språk mellan biologi och tribologi kommer att möjliggöra den korskommunikation som krävs för detta samarbete."