摩擦控制著日常生活，但通常不被注意到。比如：人們能夠在不滑倒的情況下行走，踩踏板自行車時需要的阻力很小，但拉剎車希望阻力很大?？傮w而言，機器消耗了全球20%的能源來克服摩擦阻力。然而，當(dāng)今的摩擦調(diào)節(jié)策略源于一個多世紀(jì)的工程見解，通常涉及與油或潤滑脂相關(guān)的潤滑界面。
在此，法國里昂大學(xué)Julien Scheibert教授等人報告了一種合理設(shè)計界面摩擦特性的替代策略，提出了一種通用的表面設(shè)計策略來制備具有法向力和摩擦力之間預(yù)定義關(guān)系的干粗糙界面。這種超界面通過將簡化的表面形貌視為球形粗糙度的集合，規(guī)避了摩擦學(xué)通常的多尺度挑戰(zhàn)。通過優(yōu)化各個凹凸不平的高度，可以針對特定的摩擦定律。同時，通過各種厘米尺度的彈性體-玻璃超界面，說明了三種可實現(xiàn)的摩擦定律，包括具有指定摩擦系數(shù)的線性定律和不尋常的非線性定律。這種設(shè)計策略代表了一條不受規(guī)模和材料影響、無化學(xué)品的途徑，可實現(xiàn)節(jié)能和適應(yīng)性強的智能界面。
相關(guān)文章以“Designing metainterfaces with specified friction laws”為題發(fā)表在Science上。
表面形貌對摩擦的影響早已為人所知。摩擦學(xué)（摩擦科學(xué)）的創(chuàng)始人之一查利·奧古斯丁·庫侖（Charles-Augustin Coulomb）在1779年寫了一篇關(guān)于粗糙表面上的“bumps”的文章，表面形貌決定了兩個物體的實際接觸量。因此，兩個物體通常只接觸其地形的最高峰。隨機界面的接觸面積與施加的載荷成正比地增加，表面變形以接觸更加緊密。摩擦力通常與接觸面積成正比，這就是為什么摩擦系數(shù)（摩擦力與法向力之比）是恒定的。
盡管經(jīng)過幾個世紀(jì)的研究，仍然缺乏對摩擦的全面了解。例如，根據(jù)第一性原理預(yù)測給定接觸界面的摩擦力 F 值仍然遙不可及，這主要是因為表面的多尺度特征和接觸相互作用的多物理場性質(zhì)。因此，一旦材料對、固體形狀、載荷條件、表面光潔度或環(huán)境條件發(fā)生任何變化，就必須進行耗時且耗費資源的實驗測試來校準(zhǔn)接觸界面的摩擦行為。這種無法控制摩擦的情況是干接點界面設(shè)備的主要障礙。對于軟界面，這些設(shè)備包括運動配件、機器人抓取設(shè)備、虛擬現(xiàn)實觸覺反饋工具和傳送帶。
目前，表面功能化是全球范圍內(nèi)提供具有改進摩擦能力的接觸界面的主要方法 。它通常包括在各種長度尺度上創(chuàng)建某種表面形貌或在固體表面添加均勻或異質(zhì)的薄涂層。不幸的是，盡管在各種特定案例中取得了許多成功，但這種方法仍然基于反復(fù)試驗。通過規(guī)避難以理解自然界面摩擦的主要缺陷，需要提出并驗證了一種通用設(shè)計策略，以準(zhǔn)備具有按需摩擦特征的多觸點界面。
隨機粗糙度存在于所有自然和人造界面上，但理解粗糙度對摩擦的影響很復(fù)雜，粗糙度是無刻度的。為了施加控制，工程師們長期以來一直明確地將具有明確定義長度尺度的幾何結(jié)構(gòu)引入界面。雖然可以測量這些結(jié)構(gòu)對潤滑界面的影響，但它們的功能作用是有爭議的，阻礙了具有所需特性的表面的設(shè)計。
本文中凹凸不平的超界面也明確地引入了長度尺度，但以非?？煽氐姆绞剑⑶疫m用于未潤滑的接觸。通過實驗表征了粗糙度、力學(xué)和化學(xué)對單個凸塊摩擦特性的影響，并將其輸入到機器學(xué)習(xí)模型中，該模型用于設(shè)計由許多凸塊組成的元界面的聚合響應(yīng)。然后優(yōu)化凸塊的高度分布，以產(chǎn)生所需的接觸面積與法向載荷的函數(shù)關(guān)系，從而調(diào)整摩擦響應(yīng)。通過這種小尺度和凸塊尺度響應(yīng)的受控分離，可以“編程”元界面的摩擦響應(yīng)。通過離散構(gòu)建塊的幾何形狀和屬性對材料行為進行編程的想法在超材料領(lǐng)域根深蒂固。這一概念在力學(xué)中的首次實現(xiàn)可以追溯到1987年工程科學(xué)家 Roderic Lakes的工作，他提出了一種由重復(fù)的相同晶胞組成的材料，并且能夠模仿在某些泡沫中觀察到的不尋常的輔助行為 。晶胞的幾何形狀定義了整個超材料的宏觀行為，從而能夠控制結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。
為了繞過粗糙界面摩擦的多尺度和多物理場挑戰(zhàn)，通過考慮光滑和粗糙表面之間的平面-平面接觸界面，提出了表面描述的簡單性和豐富性之間的折衷方案。一旦材料對固定，界面的可設(shè)計特征是粗糙表面的形貌，它被構(gòu)建為單個微觀粗糙度的集合，具有良好控制的幾何特性和與光滑配合面的校準(zhǔn)接觸和摩擦行為。新興宏觀尺度行為的豐富性源于所有單個粗糙度的幾何屬性的無數(shù)種可能組合。
正如可以對材料的微觀結(jié)構(gòu)進行工程設(shè)計，以提供具有自然界中罕見的宏觀特性的超材料一樣，本文提出了一種設(shè)計策略來制備具有復(fù)雜預(yù)定義摩擦行為的接觸界面（圖1），將這些表示為元界面。該策略從目標(biāo)摩擦定律開始，表示為宏觀關(guān)系 F目標(biāo)(P）施加在界面上的法向載荷P與目標(biāo)宏觀摩擦力F之間目標(biāo)。該定律是反演步驟的輸入，其輸出是對表面形貌的幾何描述，包括必要的凹陷數(shù)及其各個屬性（形狀、大小、高度、位置）的列表。反轉(zhuǎn)基于兩個主要成分。首先，通過初步校準(zhǔn)（圖1中右上圖）獲得單個微接觸的壓痕和摩擦行為，這可以通過現(xiàn)有的摩擦學(xué)模型捕獲，但不需要。至關(guān)重要的是，這些校準(zhǔn)行為包含由于制造工藝、界面物理化學(xué)或表面污染而產(chǎn)生的任何特定影響。
其次，確定了一個合適的基于粗糙度的摩擦模型，該模型能夠預(yù)測作為粗糙度種群的集體響應(yīng)的全局摩擦行為。根據(jù)預(yù)期的相關(guān)物理場，該模型的范圍可以從分析到數(shù)值。通過人工智能根據(jù)倒置的凹凸不平的幾何形狀，可以制造相應(yīng)的樣品。規(guī)定粗糙度的材料和特征尺寸有助于選擇相關(guān)的制造方法。最后，對光滑配合面進行剪切試驗，可以確定由此產(chǎn)生的摩擦定律F（P），并通過與F的直接比較目標(biāo)（P），評估工作流程的整體可靠性。目標(biāo)摩擦定律的差異可能是由于單個粗糙度行為的校準(zhǔn)不完整、摩擦模型中的錯誤假設(shè)或制造缺陷引起的。
圖2.?單個微接觸點的摩擦學(xué)校準(zhǔn)
圖3.?設(shè)計一個能達(dá)到三個預(yù)設(shè)的摩擦操作點的界面
綜上所述，將這種有源元件嵌入到元界面中將能夠控制摩擦并促進摩擦適應(yīng)性。事實上，這種可重構(gòu)界面的簡單形式已經(jīng)實現(xiàn)，以控制潤濕性。摩擦自適應(yīng)性將有許多應(yīng)用，例如具有觸覺反饋的觸摸顯示器，目前控制摩擦的嘗試集中在電化學(xué)或電粘附上，元界面方法將取代化學(xué)路線，其不僅控制簡單的摩擦力，而且在控制摩擦力對法向載荷的整個非線性依賴性似乎觸手可及。此外，關(guān)鍵的工程挑戰(zhàn)將圍繞可靠性展開，摩擦通常伴隨著磨損。活性元件的小型化也將具有挑戰(zhàn)性，但微系統(tǒng)或刺激響應(yīng)材料都可以提供解決方案。
Antoine Aymard, Emilie Delplanque, Davy Dalmas, and Julien Scheibert, Designing metainterfaces with specified friction laws, Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4234
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