物理新定律诞生，由中国科学家发现，可帮助机械臂抓住潮湿物体，有望用于机器人远程手术 | 专访

一直以来，接触潮湿的表面，对机器人来说是巨大的挑战。

最近，科学家发现了一种新的物理定律，可以解释机器人握住湿物体时发生的摩擦。这种新发现的摩擦机理，可能会促进诞生更适合外科手术的机器人设计。

“我们的工作为在远程手术和制造业等领域创建更可靠、功能更强的触觉和机器人设备打开了大门，” 在和团队发现新的物理规律之后，北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程学助理教授 Lilian Hsiao 表示。

图 | 机器人以及人类触感的概念图（来源：Lilian Hsiao）

北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程学的博士毕业生彭云鹄，是发现上述解释机器人摩擦的新物理定律的主要研究人员之一，也是 Lilian Hsiao 课题组的学生，他说该研究将推动众多机器人技术的发展。

图 | 彭云鹄（来源：受访者）

近日，其以第一作者身份在《自然・材料》上发表了相关论文，论文题为《机器人和人手指的弹性动力摩擦》（Elastohydrodynamic friction of robotic and human fingers on soft micropatterned substrates）。

图 | 文章截图以及其 DOI（来源：受访者）

摩擦是物理的中心主题之一，摩擦无处不在也非常必要，它能帮助我们握住东西而不会掉落。

尽管机器人设备已经广泛使用，但研发人员很难考虑机器人在抓取物体时产生的摩擦，特别是在潮湿的环境中。不同于人类可以凭直觉去握住湿的物体，以防止物体滑出我们的手。对于机器人而言，这一直是非常困难的挑战。

图 | 测量摩擦力的三种不同装置（来源：受访者）

大多数摩擦滑动的相互作用都涉及到粗糙的表面。这种摩擦过程在物理学中具有基本意义，这早已体现在几个世纪的研究中。它们在当今不同的行业领域也具有重要的实际重要性。

但是，流体耗散、固体变形和局部流动导向效应之间，有着复杂的相互作用，因此人类尚未完全了解图案化表面的润滑滑动。

作为一种特殊摩擦，弹性流体动力润滑摩擦 （elastohydrodynamic lubrication，EHL） 一直难以被研究，它是两个固体表面之间的摩擦类型，固体表面之间会被一层流体隔开。

这种摩擦的常见场景有，当你用指尖互相摩擦时会产生一种摩擦，但是你的皮肤上存在着一层天然油脂的薄层流体。这种摩擦，还常见于沾满洗手液泡沫的双手、以及用手触摸水果店水果去了解成熟度。

人类对于这种摩擦，相对比较可控。这是因为皮肤中的数千上万的触觉机械感受器，可以向神经系统提供必要的反馈，从而能够快速调节握力。

但是，在开发控制机器人抓握能力的材料时，很难处理弹性流体动力润滑摩擦。

想象一下，当截肢患者正在使用机械臂，或者医生正在进行显微外科手术，对于这种摩擦往往很难控制。

举例来说，机器人手臂、以及具备抓握能力的触觉材料，在制备过程中都需考虑到摩擦。但是，由于此前人类对 EHL 的理解有限，研究人员在研发拥有可调摩擦特性的材料、以及使用相关技术时，会受到一定限制，而这会影响触碰屏等器件制造、远程手术等多个领域的应用。

受人类抓取能力的启发，机器人系统的目的是设计具有机械属性、传感器和反馈原理的抓握器，以提高抓握器的稳定性。新兴的触觉技术，可通过电粘附或超声波振动，来调节摩擦来模拟自然表面的感觉。然而，捕捉真实表面的感觉仍然具有挑战性，因为只要 EHL 仍然存在，这些挑战依然会在。

也就是说，要想制备出能控制 EHL 摩擦的材料，研究人员需要一个可兼容各种样式、各种材料和各种运行条件的框架，而这正是本次研究的初衷。

发现新定律，助力机器人制备

期间，彭云鹄发现一种新定律，该定律可控制图案化表面上的弹性流体动力润滑的峰值摩擦值。在平滑摩擦对中，并不存在峰值摩擦值。因为，这种不同源于在有纹理的表面，流体产生了不同的流动方式。

本次研究中，运用彭云鹄发现的新定律，只要能对物体表面进行构图，即可控制弹性流体动力润滑摩擦，并可将其应用于许多不同的软系统。

通过改变软摩擦对的几何形状、流体特性和弹性，并使用流变仪测量润滑摩擦，即可生成一种框架模型。这款模型能预测生物启发的机器人指尖和人类手指的 EHL 摩擦。

由于其具备广泛适用性，因此可给机械手和抓手的设计提供信息，此外还开辟出一种将摩擦编码转为触觉信号的新方法。

图 | 在具有图纹的软物质表面的正压力，摩擦，以及润滑膜厚度在不同滑动速度下的变化（来源：受访者）

只要能对物体的表面进行构图，该定律就可以用来解释 EHL 摩擦，并且可以将其应用到许多不同的软物质系统中。在这种情况下，表面图案可以是任何东西，如从手指尖上略微凸起的表面、到机器人工具表面上的凹槽。

彭云鹄观察到，长度在 10μm 至 100μm 之间的图案，在 EHL 摩擦中滑动到另一个表面时，会在 EHL 摩擦中引入唯一一个局部峰值。

在彭云鹄的系统中，h 被定义为静止模式的顶部和滑动表面的底部之间的距离，然后他使用雷诺兹方程预测了 FS~U/h 和 FN~U/h2。

其中，摩擦空气的体积摩擦系数 μ，由 μ=FS/FN 给出，并且 h 的细小变化也会产生 μ 的实质性变化。虽然可以用专门的双折射和干涉测量来直接测量 h，但这样测量的 h 的分辨率在光学上限制在～3μm 以下。总结来说，这些数值方法提供了一个令人满意的 μ 模型。

其中，他利用四个方程式解释了 EHL 所需的物理力，并分别在三个系统中证明了该规律：人类手指；受生物启发的机器人指尖；以及一个称为摩擦流变仪的工具，该工具可用于测量摩擦力。

从表面上来看，这三种体系从受力面积，表面图案等几方面来看截然不同。尤其是人类以及机器手指两个体系无法像摩擦流变仪一样控制受力。然而，这三个系统的的具体证明过程都有着如下的过程：

为了解这种效果、并为 EHL 摩擦的设计提供指导框架，彭云鹄使用雷诺润滑理论，对剪切力 FS、和法向力 FN 相对于滑动速度 U 和流体膜厚 h 的变化做以建模。

随后他发现，半分析理论、统计分析表明、线性回归和所有实验数据点之间，都具备极好的一致性。

综上所述，针对三个不同系统的适用性，该设计原理可开辟出很多机会，其中包括通过改变软表面图案，来改变润滑摩擦。

图 | 在不同表面纹理，不同装置下，摩擦的统一化模型（来源：受访者）