如何防止滑倒摔跤？这是一个与人们生活息息相关的科学问题。每年都有大量的人因为滑倒导致不同程度的受伤，从而影响正常生活。尤其对于老年人而言，摔跤甚至可能意味着生命的结束。正是这样一个“接地气”的问题，引起了仿生领域科学家的注意，试图通过鞋底材料的仿生设计来解决问题。
【研究成果】
近日，美国麻省理工学院Giovanni Traverso团队受自然界中动物千奇百怪的行走方式的影响，包括使用爪子（猫科动物、鸟类）、鳞片（蛇类）等，利用玲珑精巧的剪纸艺术，开发出一种可以动态调节与地面的摩擦力、有效增加抓地力的新型仿生鞋底材料。该工作发表在自然杂志子刊《Nature Biomedical Engineering》上，题为：“Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips”。
【图文解析】
1.Kirigami鞋底的设计原理。
在自然界中，动物有多种策略来增加抓地力，提高生存能力。例如猎豹的半伸缩爪，啄木鸟的反相抓扣的锋利爪子以及蛇类的同向排列鳞片（图一a）。Kirigami是日本折纸的一种艺术形式，具有空间上的可变性，其样式变化的灵感被广泛地应用于各类 “超材料” 的设计制备中。在本报道中，作者们使用钢片在鞋底制备出kirigami结构（图一b），这种结构可以在鞋底平放和弯曲变形时变换出不同的外形。简而言之，在步行过程中，通过改变鞋底的曲率来激活 “kirigami鞋钉” ，以增强鞋钉与步行表面之间的摩擦性能，并降低滑倒和摔倒的风险。
2.Kirigami鞋底不同鞋钉形状的机械设计。
通过对切角（γ）和空间维度比（切片宽度δ与周期性栅格的特征长度l之比）的调控，作者们设计了不同机械响应模式的kirigami图案，包括凹型、三角型和凸型三种鞋钉形状。图二a展示了这三种结构受到不同面内单轴应变（ε22）时的单元变化的数字模拟快照。图中色块变化表示最大主塑性应变的分布。可以发现，施加的形变量触发了屈曲不稳定性，从而导致三种图案模式都出现峰角屈曲和弹出。此外，如图二b所示，对于20°< γ <60 °和0.05<δ/l<0.2这个范围而言，可以观测到不同鞋钉结构的翘起角度随着面内单轴应变（ε22）变化而变化。图中虚线位置可以看出，在面内应变达到0.15时，鞋钉可以翘起约30°。对γ=30°，δ/l=0.06，0.1和0.15的三种鞋钉形状的kirigami表面进行有限元模拟可以发现（图二c），当被拉伸到正常步态时的最大拉伸应变（ε22=0.15）后与硬板接触时，δ/l=0.15的结构表面可以带来鞋钉翘起部分的最大硬度。
3.鞋钉的形状和排布对kirigami鞋底的摩擦增强效果。
作者们随后对三种形状的鞋钉（凹型、三角型、凸型）在常态和弯曲时（图三a）与不同基底（冰面、乙烯基基底和硬木）的摩擦力进行表征。对于冰面和硬木而言，由于kirigami鞋钉穿透深度较浅，其摩擦模式为平滑模式，即达到静态摩擦力的峰值后维持在动态摩擦力的平台期。而对于乙烯基这样的半硬基底，鞋钉穿透进基底而呈现出粘滑模式，即摩擦力在最大值和最小值之间周期性变化（图三b）。不同形状的鞋钉在不同基底上的规律也不尽相同，这与其穿透能力有关。此外，相对于具有同样厚度同样材质的常规鞋底，所有kirigami结构都具有明显的抓地力优势（图三c）。与此同时，鞋钉的排布方式也至关重要，凹面鞋钉的五种不同排布（单向、三列、交替行、方格和镜像）都呈现出不同的抓地效果（图三d、e、f）。
4.人体实测行走时kirigami鞋底与地面摩擦力。
作者最后进行了常规步幅行走时的鞋底摩擦力的真人测试（图四a）。通过脚下的力学感应器分别测试脚底三个正交方向的力值变化（Fx表示前进方向、Fy表示横向、Fz表示人体竖直方向上的力），其中横向力几乎为零。相同的志愿者保证法向力相同，与商品鞋底和对比组相比，kirigami鞋底展现出更强的最大摩擦力（图四b）。此外，五种不同排布方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系数都接近是多种商品鞋底的两倍。
【总结展望】
目前，作者们正在研究如何更好地附着和融合这种kirigami鞋底。他们正在考虑将其嵌在鞋体下，或者将其设计成一个单独的元素，以便在需要时进行附加。他们也在探索使用不同材料的可能性，例如带有加强钢尖端的橡胶聚合物。虽然研究人员最初的动机是防止在结冰的表面上打滑，但他们预计这种鞋夹在其他环境下也会有用，比如潮湿或油性的工作环境。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-020-0564-3#Sec16
文档如下：
