The Granular Media Friction Pad : A Novel Biologically-Inspired System for Friction Maximization on a Wide Range of Substrates by Passive Jamming of Granular Material
Many solutions for getting grip on varying substrates exist in nature and in technical applications, but they fail on substrate geometries they are not specifically designed for. For maximizing friction forces on an unknown substrate, we developed a novel passive load-dependent system that creates high friction forces on a large variety of substrates: The granular media friction pad (GMFP), which consists of a thin elastic membrane encasing loosely filled granular material. When coming into contact with a substrate, the fluid-like granular material flows around the substrate asperities, and large contact areas with the substrate are achieved. Upon applying load, the granular material undergoes the jamming transition, rigidifies and becomes solid-like. High friction forces are generated by mechanical interlocking, internal friction of the granular media as well as by large contact area-mediated friction and deformation of the membrane. This system is able to adapt to a large variety of substrate topologies. First, we show the friction performance on different substrates and investigate the underlying physical mechanisms in a numerical simulation. We compare the granular media friction pad with bulk silicone samples both in stiffness under different loading conditions as well as for their friction performance on flat and rough substrates and a flat substrate contaminated by large particles. Then, we investigate the effect of elasticity variation on the generation of friction by varying granular media filling capacity as well as membrane modulus and thickness. The adaptability of the samples is tested by visualizing contact area with large substrate asperities present. Friction performance is evaluated on three different substrate types (flat, rough, contaminated). Finally, to further increase performance for moist or wet substrates, we adapt the granular media friction pad by structuring the outside of the membrane with a hexagon pattern. The friction performance of the structured and the smooth granular media friction pad is compared on a flat substrate when dry and when completely immersed in mineral oil. The hexagon structuring of the encasing membrane results in a significant increase in friction under lubricated conditions, thus greatly increasing the universal applicability of the granular media friction pad for a multitude of environments. Overall, the granular media friction pad is able to create high friction on unknown substrate geometries, which makes it suitable for a variety of use cases where stable grip on substrates is important.
In der Natur und in technischen Anwendungen gibt es viele Lösungen, um festen Halt auf verschiedenen Untergründen zu erzeugen, doch diese versagen auf Untergrundgeometrien, für die sie nicht explizit konzipiert sind. Um Reibkräfte auf unbekannten Untergründen zu maximieren, haben wir ein neuartiges passives Anpressdruck-abhängiges System entwickelt, das auf einer großen Vielfalt von Untergründen hohe Reibkräfte erzeugt: Das Granular Media Friction Pad (Reibkissen mit granularer Materie), das aus einer dünnen elastischen Membran besteht, welche ein locker gefülltes granulares Material umhüllt. Wenn es mit einem Untergrund in Berührung kommt, legt sich das Flüssigkeit-artige granulare Material um die Rauhheiten des Untergrunds herum und erreicht hiermit große Kontaktflächen mit dem Untergrund. Sobald Anpressdruck aufgewandt wird, durchläuft das granulare Material die Jamming-Transition, verfestigt sich und wird Festkörper-artig. Hohe Reibkräfte werden erzeugt durch mechanisches Verhaken, interne Reibung des granularen Mediums sowie große Kontaktflächen-abhängige Reibung und Deformation der Membran. Dieses System ist dadurch in der Lage, sich an eine große Vielfalt von Untergrund-Topologien anzupassen. Zunächst zeigen wir die Reibleistung auf verschiedenen Untergründen und untersuchen die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen in einer numerischen Simulation. Wir vergleichen das Granular Media Friction Pad mit Vollsilikon-Proben bezüglich der Steifheit unter verschiedenen Anpressdrücken sowie ihrer Reibleistung auf flachen und rauhem Untergrund und einem flachen Untergrund, der durch große Partikel verunreinigt ist. Anschließend untersuchen wir die Auswirkungen von Änderungen in der Elastizität auf die Erzeugung von Reibung, indem wir die Füllkapazität des granularen Mediums sowie den Elastizitätsmodul und die Dicke der Membran variieren. Die Anpassungsfähigkeit der Proben wird untersucht, indem die Kontaktfläche in Anwesenheit von großen Substratrauhheiten visualisiert wird. Zudem wird die Reibleistung auf drei unterschiedlichen Untergrund-Typen (flach, rauh, verunreinigt) bewertet. Schließlich wird durch Strukturierung der Membran mit einem Hexagon-Profil die Leistung auf feuchten oder nassen Untergründen weiter erhöht. Dabei wird die Reibleistung von strukturiertem und glattem Granular Media Friction Pad auf einem flachen Untergrund in trockenem sowie in vollständig in Mineralöl eingetauchtem Zustand verglichen. Insgesamt ist das Granular Media Friction Pad in der Lage, hohe Reibkräfte auf unbekannten Untergrundgeometrien zu erzeugen, wodurch es für eine Vielfalt an Anwendungsfällen geeignet ist, bei denen ein fester Halt auf Untergründen wichtig ist.
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