[論文レビュー] Characterization of the Frictional Response of Squamata Shed Skin in Comparison to Human skin

Hisham A. Abdel-Aal, Mohamed El Mansori|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2010

Adhesion, Friction, and Surface Interactions参考文献 9被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、自作の三体音響プローブを用いて、*Python regius* の脱皮皮膚の異方的摩擦応答を特徴づけ、前向きの運動における摩擦が後退運動よりも低いことを明らかにした。研究結果は、爬虫綱の皮膚に見られるナノスケールおよびマイクロスケールの表面テクスチャが、方向性摩擦制御を可能にすることを示し、適応的トライボロジカル表面の設計にバイオインスパイアドの知見を提供する。また、基準とするためにヒト皮膚の摩擦と比較分析を行った。

ABSTRACT

Deterministic surfaces are constructs of which profile, topography and textures are integral to the function of the system they enclose. They are designed to yield a predetermined rubbing response. Developing such entities relies on controlling the structure of the rubbing interface so that, not only the surface is of optimized topography, but also is able to self-adjust its behavior according to the evolution of sliding conditions. Inspirations for such designs are frequently encountered in natural species. In particular, and from a tribological point of view, Squamate Reptiles, offer diverse examples where surface texturing, submicron and nano-scale features, achieves frictional regulation. In this paper, we study the frictional response of shed skin obtained from a Python regius snake. The study employed a specially designed tribo-acoustic probe capable of measuring the coefficient of friction and detecting the acoustical behavior of the skin in vivo. The results confirm the anisotropy of the frictional response of snakes. It is found that the coefficient of friction depends on the direction of sliding: the value in forward motion is lower than that in the backward direction. Diagonal and side winding motion induces a different value of the friction coefficient. We discuss the origin of such a phenomenon in relation to surface texturing and study the energy constraints, implied by anisotropic friction, on the motion of the reptile and to establish a reference for comprehending the frictional response we draw a comparison to the friction of human skin.

研究の動機と目的

• 本研究では、爬虫綱の一種である *Python regius* の脱皮皮膚における摩擦の方向依存性を調査し、自然な摩擦制御機構を理解することを目的とする。
• 生体表面に存在するサブミクロンおよびナノスケールのテクスチャの摩擦挙動を、生体内測定技術を用いて特徴づけること。
• ヘビの皮膚の摩擦応答をヒト皮膚のものと比較し、バイオミメティック表面設計の基準を確立すること。
• 異方的摩擦が爬虫類の運動に与えるエネルギー効率への影響を検討すること。
• 滑り運動中に摩擦係数と音響発生を同時に測定可能な三体音響プローブの開発

提案手法

• 自作の三体音響プローブを用いて、脱皮ヘビ皮膚の上を滑らせる際の摩擦係数を測定し、音響発生を検出する。
• 前向き、後退、斜め、横方向への滑り運動を含む、複数の方向で制御された滑り条件の下で実験を実施した。
• プローブにより、皮膚表面からの摩擦力および関連する音響信号を生体内測定可能であった。
• 表面の粗さおよびテクスチャの特徴を分析し、マイクロ／ナノスケールの構造と摩擦の異方性との相関を検証した。
• 比較分析のため、同一条件下でヒト皮膚の摩擦測定も実施した。
• データ収集と分析により、摩擦係数の方向別差を定量的に評価し、運動におけるエネルギー制約を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 脱皮 *Python regius* 皮膚の摩擦係数は、滑り方向によってどのように変化するか？
• RQ2 爬虫綱皮膚に見られる異方的摩擦応答の起源は何か？ また、表面テクスチャとどのように関連しているか？
• RQ3 ヘビの皮膚の摩擦挙動は、定量的にヒト皮膚のそれとどのように異なるか？
• RQ4 異方的摩擦は、爬虫類の運動にどのようなエネルギー的影響を及えるか？
• RQ5 三体音響プローブは、生体表面での滑り運動中に摩擦と音響信号を効果的に同時に捉えることができるか？

主な発見

• 前向きの滑り運動における摩擦係数は、後退運動よりも顕著に低く、強い方向依存性が示された。
• 斜めおよび横方向の運動では、それぞれ異なる摩擦係数が得られ、皮膚のトライボロジカル応答における複雑な方向的異方性が裏付けられた。
• 摩擦の異方性は、滑り時の界面相互作用を調整するサブミクロンおよびナノスケールの表面テクスチャに起因するとされた。
• 本研究では、ヘビの皮膚が自然な運動方向において摩擦が低いことを確認し、エネルギー効率性を高める進化的適応であると示唆された。
• ヒト皮膚は、ヘビの脱皮皮膚と比較して、より高く、より等方的（等方的）な摩擦係数を示した。これは、トライボロジカル挙動における重要な相違点を示している。
• 滑り運動中に検出された音響発生は、摩擦の変化と相関しており、音響信号が界面動態の代理指標として機能することが示唆された。