潮湿与变滑:新的物理原理帮助人类和机器人掌握触摸时的摩擦力

2021年04月29日 23:27 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

尽管机器人设备被用于从装配线到医学的所有领域,但工程师们很难解释这些机器人抓取物体时发生的摩擦--特别是在潮湿的环境中。研究人员现在已经发现了一个新的物理定律,掌握了不同类型的摩擦力的差异,这应该会推动广泛的机器人技术。

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北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程助理教授Lilian Hsiao说:"我们在这里的工作为在远程手术和制造业等应用中创造更可靠和功能性的触觉和机器人设备打开了大门。"

问题来自一种叫做弹性流体润滑(EHL)的摩擦,这是两个固体表面与它们之间的一层薄薄的液体接触时发生的摩擦。打个比方,就像是当你的指尖在一起摩擦时发生的摩擦,液体是你皮肤上自然形成的油的薄层。但它也可能适用于机器人爪子举起涂有油的物体,或者适用于正在人体内部使用的手术设备。摩擦很重要的一个原因是,它帮助我们握住东西而不掉落。

"理解摩擦力对人类来说是很直观的,即使是在我们处理沾着肥皂水的碗的时候,"Hsiao说。"但是在开发控制机器人抓取能力的材料时,要考虑到EHL摩擦是非常困难的。"

为了开发有助于控制EHL摩擦的材料,工程师们将需要一个可以统一应用于各种模式、材料和动态操作条件的框架。而这恰恰是研究人员所发现的。这一定律可用于解释EHL摩擦,并可应用于许多不同的软系统--只要物体的表面可以被图案化。

在这种情况下,表面图案可以是任何东西,从我们手指尖上略微凸起的表面到机器人工具表面的凹槽。

由Hsiao和她的研究生Yunhu Peng共同开发的新的物理原理,利用四个方程来说明在理解EHL摩擦中起作用的所有物理力。在论文中,研究小组在三个系统中展示了这一规律:人类的手指;一个生物启发的机器人指尖;以及一个被称为tribo-rheometer的工具,它被用来测量摩擦力。Peng是该论文的第一作者。

"这些结果在机器人手上非常有用,它有更细微的控制,可以可靠地处理制造过程,"Hsiao说。"而且它在远程手术领域有明显的应用,在远程手术中,外科医生远程控制机器人设备来进行手术,这是理解触摸和控制合成系统中的触摸的一个基本进展。

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