清華新聞網(wǎng)3月21日電 物體的接觸界面上往往存在著不同的應(yīng)力分布，這些應(yīng)力分布會(huì)在諸多的物理過(guò)程、生物行為和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，例如動(dòng)物的爬行、人手的觸覺(jué)感知和靈巧操作，以及齒輪等機(jī)械零部件的傳動(dòng)等。但是，現(xiàn)有接觸應(yīng)力測(cè)量手段，包括電子皮膚和牽引力顯微鏡等，都難以對(duì)界面三維接觸應(yīng)力的分布和演變特征進(jìn)行高時(shí)空分辨測(cè)量，這限制了對(duì)相關(guān)界面力學(xué)現(xiàn)象和行為的深入理解。
近日，機(jī)械系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于雙目立體視覺(jué)和彈性力學(xué)模型數(shù)值求解的界面動(dòng)態(tài)三維接觸應(yīng)力高分辨率測(cè)量方法。該方法基于透明彈性體設(shè)計(jì)了特殊的特征圖像層和遮光層，利用內(nèi)置的雙目相機(jī)和數(shù)字圖像相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)彈性體接觸表面的三維變形重構(gòu)，基于彈性力學(xué)模型的實(shí)域卷積迭代算法實(shí)現(xiàn)高數(shù)值穩(wěn)定性的接觸應(yīng)力解算，實(shí)現(xiàn)了空間分辨率和時(shí)間分辨率分別為10μm和10ms的三維接觸應(yīng)力測(cè)量，并且該時(shí)間和空間分辨率可以比較方便地通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的性能而進(jìn)一步提高。
圖1.界面三維接觸應(yīng)力測(cè)量方法示意圖；（A）測(cè)量裝置的多層結(jié)構(gòu)示意圖；（B）接觸表面變形場(chǎng)測(cè)量和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算原理圖；（C）手指的接觸形狀表征
利用所設(shè)計(jì)的原型裝置，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)Hertz，JKR等經(jīng)典接觸力學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還成功應(yīng)用于多種界面力學(xué)行為的研究。粘著應(yīng)力測(cè)量中，對(duì)微柱陣列干粘附表面的粘著應(yīng)力演變進(jìn)行了直接測(cè)量，這對(duì)仿生干粘附表面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性監(jiān)測(cè)具有重要意義。滾動(dòng)摩擦測(cè)試中，通過(guò)對(duì)比干接觸和潤(rùn)滑條件下測(cè)得的滾動(dòng)摩擦應(yīng)力分布，直觀(guān)展示了彈性阻力組分和表面粘著組分在不同接觸區(qū)域?qū)L動(dòng)摩擦起源的貢獻(xiàn)。蝸牛的爬行機(jī)理研究中，基于蝸牛爬行過(guò)程的界面三維接觸應(yīng)力測(cè)量，對(duì)蝸牛爬行機(jī)理中經(jīng)典的粘液“屈服-愈合”機(jī)制進(jìn)行完善，系統(tǒng)研究了蝸?？臻g爬行的力學(xué)機(jī)制，揭示了踏板波的微吸盤(pán)效應(yīng)調(diào)控的局部潤(rùn)滑狀態(tài)是蝸牛依靠摩擦不對(duì)稱(chēng)性爬行的關(guān)鍵，明確了蝸牛腹足的多尺度的吸盤(pán)效應(yīng)和分段密封效應(yīng)是其能夠以水平、豎直和倒置等多種位姿進(jìn)行空間爬行的重要力學(xué)基礎(chǔ)。本研究所提出的方法展現(xiàn)的高時(shí)空分辨率的界面三維接觸應(yīng)力動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，在物理學(xué)、生物學(xué)和機(jī)器人等諸多科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。
圖2.典型接觸應(yīng)力測(cè)量結(jié)果；（A）仿生干粘附表面粘著應(yīng)力；（B）滾動(dòng)摩擦的彈性阻力貢獻(xiàn)和表面粘著貢獻(xiàn)；（C）蝸牛爬行過(guò)程的應(yīng)力圖和應(yīng)力演變圖
該研究近期發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊，論文題為“動(dòng)態(tài)三維牽引應(yīng)力成像”（Imaging dynamic three-dimensional traction stresses）。
論文第一作者為清華大學(xué)機(jī)械系2017級(jí)直博生李遠(yuǎn)哲，共同通訊作者為機(jī)械系田煜教授和馬麗然副教授。機(jī)械系孟永鋼教授、白鵬鵬助理研究員、博士后曹輝、2016級(jí)博士生李綠洲、2017級(jí)博士生李新新、2020級(jí)博士生侯鑫、2019級(jí)博士生方靜泊，航天航空學(xué)院2018級(jí)本科生李京洋等參與了研究工作。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題以及清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院等項(xiàng)目資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.abm0984
供稿：機(jī)械系
編輯：李華山
審核：呂婷
