[論文レビュー] Python Regius (Ball Python) shed skin: Biomimetic analogue for function-targeted design of tribo-surfaces

Hisham A. Abdel-Aal, M. El Mansori+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2010

Tribology and Lubrication Engineering参考文献 21被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、低摩擦・摩耗耐性を有するトライボ表面を設計するためのバイオミメティクス的潜在可能性について、マヒル（Python regius）の脱皮皮膚を対象に調査している。SEMおよびホワイトライト干渉計を用いたマルチスケール表面特性評価により、段差研磨されたシリンダーライナーに類似した階層的表面構造が同定され、自然な皮膚表面の構造が摩擦と摩耗を効果的に制御していることが示され、機能的ターゲティングを目的としたトライボロジカル表面工学のバイオインspiredブループrintが得られた。

ABSTRACT

A major concern in designing tribo-systems is to minimize friction, save energy, and to reduce wear. Satisfying these requirements depends on the integrity of the rubbing surface and its suitability to sliding conditions. As such, designers currently focus on constructing surfaces that are an integral part of the function of the tribo-system. Inspirations for such constructs come from studying natural systems and from implementing natural design rules. One species that may serve as an analogue for design is the Ball python. This is because such a creature while depending on legless locomotion when sliding against various surfaces, many of which are deemed tribologically hostile, doesn't sustain much damage. Resistance to damage in this case originates from surface design features. As such, studying these features and how do they contribute to the control of friction and wear is very attractive for design purposes. In this work we apply a multi scale surface characterization approach to study surface design features of the Python regius that are beneficial to design high quality lubricating surfaces (such as those obtained through plateau honing). To this end, we studied topographical features by SEM and through White Light Interferrometery (WLI). We further probe the roughness of the surface on multi scale and as a function of location within the body. The results are used to draw a comparison to metrological features of commercial cylinder liners obtained by plateau honing.

研究の動機と目的

• マヒルの脱皮皮膚に見られる自然な表面設計的特徴が、低摩擦および高摩耗耐性に寄与するものかどうかを特定すること。
• 生物学的表面粗さ構造が、厳しい滑り接触条件下で効果的なトライボロジカル性能を発揮する仕組みを理解すること。
• マヒルの皮膚に見られるマイクロおよびナノスケールの特徴と、機械的システムで使用されるエンジニアリングされた段差研磨表面との間の機能的類似性を明らかにすること。
• 工学的応用において高性能で機能的ターゲティングを目的としたトライボ表面を設計するためのバイオミメティクス的アナログを提供すること。
• 体の異なる部位におけるマルチスケール粗さおよび表面粗さの変動を評価し、トライボロジカル関連性を検討すること。

提案手法

• スキャニング電子顕微鏡（SEM）を用いて、マイクロおよびナノスケールの表面特徴を観察することで、マルチスケール表面特性評価を実施した。
• ホワイトライト干渉計（WLI）を用いて、体の異なる部位における表面粗さおよび表面粗さパターンを定量的に評価した。
• 体の位置に応じた表面テクスチャおよび粗さの関数としての分析を行い、機能的勾配を同定した。
• 測定された脱皮皮膚の表面特徴を、商業的に生産された段差研磨シリンダーライナーの計測基準と比較した。
• 比較的アプローチを用いて、エンジニアリングされたトライボロジカル表面を模倣する自然表面の設計原則を同定した。
• 滑り接触条件下における摩擦および摩耗制御における階層的表面構造の役割を評価するために、階層的表面構造に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マヒルの脱皮皮膚に見られるどのような表面粗さ的特徴が、移動時の低摩擦および高摩耗耐性に寄与しているか？
• RQ2 マヒルの皮膚の表面粗さおよびテクスチャは、体の異なる部位でどのように変化しており、その機能的意味合いは何か？
• RQ3 脱皮皮膚の自然な表面特徴は、機械部品で使用されるエンジニアリングされた段差研磨表面とどの程度類似しているか？
• RQ4 マヒルの皮膚から抽出可能なバイオミメティクス的設計原則は、機能的ターゲティングを目的としたトライボ表面工学にどのように応用できるか？
• RQ5 皮膚のマルチスケール構造は、滑り接触下でのトライボロジカル性能にどのように寄与しているか？

主な発見

• マヒルの脱皮皮膚は、商業的シリンダーライナーに見られる段差研磨表面テクスチャに類似した、マイクロおよびナノスケールの特徴を有する階層的表面構造を示している。
• ホワイトライト干渉計による分析で、体全体にわたり一貫した表面粗さパターンが確認され、局所的な変動は特定の滑り接触条件への機能的適応を示している。
• SEM分析により、直接的なアスペリティ接触を最小限に抑える秩序立てたテクスチャを持つマイクロ構造が存在することが確認され、移動時の摩耗低減に寄与している。
• 表面粗さ構造としてのマヒルの脱皮皮膚は、テクスチャパラメータおよび機能的性能の観点から、エンジニアリングされた段差研磨表面と高い類似性を示している。
• 本研究では、マヒルの自然な表面設計が、幾何学的および粗さ最適化によって摩擦と摩耗を効果的に制御していることが同定された。
• 結果として、マヒルの皮膚のような生物学的システムが、機械的システムにおける高度で低摩耗のトライボ表面を設計するための機能的ブループrintとして機能しうることが示唆された。