盡管機器人設備應用于從裝配線到醫學的各個領域，但工程師們很難解釋這些機器人抓握物體時產生的摩擦力，特別是在潮濕的環境中。這也使得再現機器人和人類的完整觸覺體驗具有挑戰性。
理解摩擦對人類來說是很直觀的，摩擦很重要的一個原因是它能幫助我們抓住東西而不掉下來。大多數摩擦滑動相互作用涉及粗糙表面。這類摩擦過程在物理學中具有根本意義，幾個世紀以來的研究就反映了這一點。它們在當今不同的工業領域也具有重要的實際意義。然而，由于固體變形、流體耗散和局部流動導向效應之間的復雜相互作用，對圖案化表面的潤滑滑動還沒有完全了解。
這里面涉及一個稱之為：彈性流體動力潤滑（elastohydrodynamic lubrication，EHL）理論，這是摩擦發生時，兩個固體表面接觸時候會有一層薄薄的流體在他們之間。例如我們指尖摩擦時候，液體是一層薄薄的自然產生的油在你的皮膚上。但由于我們對EHL的理解的局限性，這阻礙了涉及摩擦的過程設計的進展，尤其是在具有可調摩擦特性的材料和技術中，例如機器人手和具有可抓握特性的觸覺材料。因此，了解EHL摩擦，在從制造、遠程手術到觸摸屏的各個領域都很重要。
因此，為了開發有助于控制EHL摩擦的材料，工程師則需要一個可以統一應用于各種樣式，材料和動態運行條件的框架。
鑒于此，美國北卡羅來納州立大學Lilian C. Hsiao等人發現了一條新的物理定律，解釋了這種摩擦。他們設計了一個物理框架，用于研究EHL在帶圖案的表面上的摩擦如何衡量減小的彈性和圖案幾何形狀，從而解決阻礙EHL理論廣泛應用的基本挑戰，這將推動機器人技術的廣泛發展。成果發表在Nature Materials上。
該框架首先由在模型彈性體和聚合物上進行的摩擦流變儀（triborheometer）構建的，然后通過機械手和人手指的數據進行驗證。關鍵的觀察結果是，長度范圍在10μm至100μm之間的圖案在EHL摩擦中滑動到另一個表面時會在EHL摩擦中引入一個唯一的局部峰值。
新的物理原理利用四個方程式說明了在理解EHL摩擦時起作用的所有物理力。在論文中，研究團隊從三個系統演示了這一規律：人類的手指；仿生機器人指尖；還有一種叫做摩擦流變儀的工具，用來測量摩擦力。
圖|平坦和有圖案的軟質材料的實驗裝置
為了了解這種效果并為EHL摩擦的設計提供指導框架，使用了雷諾潤滑理論對剪切力FS和法向力FN相對于滑動速度U和流體膜厚h的變化進行建模。統計分析表明、半分析理論、線性回歸和所有實驗數據點之間都具有極好的一致性。
圖|圖案表面上的EHL潤滑膜厚度
圖|基于材料和形狀的過渡EHL摩擦系數框架
綜上所述，該設計原理對三個不同系統的適用性開辟了許多機會，在這些機會中，可以使用軟表面上的圖案來改變潤滑摩擦。這在遠程外科領域具有明顯的應用，在這種情況下，外科醫生可以遠程控制機器人設備來執行外科手術。該研究為在遠程手術和制造等應用中創建更可靠，功能更強的觸覺和機器人設備打開了大門。此外，在物理科學領域中，更廣泛地說，EHL摩擦在顆粒的整體力學、食品和化妝品設計以及景觀演變中都很重要
參考文獻：
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
