这篇Nature Materials，有点小摩擦！
奇物论
尽管机器人设备应用于从装配线到医学的各个领域，但工程师们很难解释这些机器人抓握物体时产生的摩擦力，特别是在潮湿的环境中。这也使得再现机器人和人类的完整触觉体验具有挑战性。
理解摩擦对人类来说是很直观的，摩擦很重要的一个原因是它能帮助我们抓住东西而不掉下来。大多数摩擦滑动相互作用涉及粗糙表面。这类摩擦过程在物理学中具有根本意义，几个世纪以来的研究就反映了这一点。它们在当今不同的工业领域也具有重要的实际意义。然而，由于固体变形、流体耗散和局部流动导向效应之间的复杂相互作用，对图案化表面的润滑滑动还没有完全了解。
这里面涉及一个称之为：弹性流体动力润滑（elastohydrodynamic lubrication，EHL）理论，这是摩擦发生时，两个固体表面接触时候会有一层薄薄的流体在他们之间。例如我们指尖摩擦时候，液体是一层薄薄的自然产生的油在你的皮肤上。但由于我们对EHL的理解的局限性，这阻碍了涉及摩擦的过程设计的进展，尤其是在具有可调摩擦特性的材料和技术中，例如机器人手和具有可抓握特性的触觉材料。因此，了解EHL摩擦，在从制造、远程手术到触摸屏的各个领域都很重要。
因此，为了开发有助于控制EHL摩擦的材料，工程师则需要一个可以统一应用于各种样式，材料和动态运行条件的框架。
鉴于此，美国北卡罗来纳州立大学Lilian C. Hsiao等人发现了一条新的物理定律，解释了这种摩擦。他们设计了一个物理框架，用于研究EHL在带图案的表面上的摩擦如何衡量减小的弹性和图案几何形状，从而解决阻碍EHL理论广泛应用的基本挑战，这将推动机器人技术的广泛发展。成果发表在Nature Materials上。
该框架首先由在模型弹性体和聚合物上进行的摩擦流变仪（triborheometer）构建的，然后通过机械手和人手指的数据进行验证。关键的观察结果是，长度范围在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摩擦中引入一个唯一的局部峰值。
新的物理原理利用四个方程式说明了在理解EHL摩擦时起作用的所有物理力。在论文中，研究团队从三个系统演示了这一规律：人类的手指；仿生机器人指尖；还有一种叫做摩擦流变仪的工具，用来测量摩擦力。
图|平坦和有图案的软质材料的实验装置
为了了解这种效果并为EHL摩擦的设计提供指导框架，使用了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的变化进行建模。统计分析表明、半分析理论、线性回归和所有实验数据点之间都具有极好的一致性。
图|图案表面上的EHL润滑膜厚度
图|基于材料和形状的过渡EHL摩擦系数框架
综上所述，该设计原理对三个不同系统的适用性开辟了许多机会，在这些机会中，可以使用软表面上的图案来改变润滑摩擦。这在远程外科领域具有明显的应用，在这种情况下，外科医生可以远程控制机器人设备来执行外科手术。该研究为在远程手术和制造等应用中创建更可靠，功能更强的触觉和机器人设备打开了大门。此外，在物理科学领域中，更广泛地说，EHL摩擦在颗粒的整体力学、食品和化妆品设计以及景观演变中都很重要
参考文献：
Peng, Y., Serfass, C.M., Kawazoe, A. et al. Elastohydrodynamic friction of robotic and human fingers on soft micropatterned substrates. Nat. Mater. (2021).
https://doi.org/10.1038/s41563-021-00990-9
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