牵引力很重要。人类一直对发现如何更好地安全地在潮湿或冰冻的表面上移动感兴趣——无论是改善在人行道上行走的鞋子，还是改善在道路上行驶的轮胎。但是，是什么让一些北极动物在冰面上如此轻松优雅地行走和奔跑而不会滑倒呢？为了找到答案，阿克伦大学的三位研究人员深入研究了北极熊的爪子。他们的研究发表在11月的《英国皇家学会界面杂志》上。
为什么是北极熊？
项目团队包括Ali Dhinojwala，聚合物科学和聚合物工程学院的H.A. Morton聚合物科学教授，Nathaniel Orndorf， 2022年博士毕业生，现在是普利司通美洲公司的高级材料科学家，Austin Garner， 2021年博士毕业生，现在是雪城大学生物学助理教授。该项目始于疫情最严重时期，当时一切都处于封锁状态。
“我们有一个持续多年的项目，专注于冰；我们正在研究材料的摩擦，我们对这个话题很感兴趣，因为我们在阿克伦，我们的国家合作伙伴需要开发在冰雪条件下对道路有很强抓地力的轮胎。”内特对大自然如何适应这种雪的解决方案很感兴趣。他想到的例子是北极熊——研究就是从那里开始的。”
这个项目是跨学科的，结合了生物和材料研究的方法和技术。Orndorf和Dhinojwala是将生物学纳入研究的聚合物科学家，而Garner是将材料科学纳入研究的动物生物学家。
我们的想法是观察北极熊的脚掌。回顾旧文献，研究小组发现，之前的工作研究了北极熊爪子的微观结构（乳头，脚垫上的小凸起），并断言乳头是为了提高在雪地上的牵引力而适应的。之前的研究没有包括其他种类的熊，所以加纳帮助确定了两种与北极熊密切相关的物种（棕熊和美洲黑熊）和一种远亲（马来熊），以纳入研究。
奥恩多夫说：“COVID期间实验室的安静让我有机会与全国各地的各种科学家和环保主义者建立联系。”“我联系了博物馆、标本剥制师和其他许多人，收集和观看熊掌垫的实际样本和复制品。”
然后，奥恩多夫和加纳准备了熊的爪垫样本，并用扫描电子显微镜对它们进行了成像。该团队还创建了结构的3D打印输出，以改变特征的直径和高度。然后在实验室的雪中对它们进行测试，看看它们对环境的反应。
研究小组发现，所有熊（马来熊除外）的脚掌上都有乳头状突起，但北极熊的乳头要高一些，高达1.5倍。而且，相对于较短的乳头，北极熊较高的乳头有助于增加在雪上的牵引力。尽管与其他物种相比，北极熊的脚掌更小（可能是因为它们的皮毛覆盖更广，以保持热量），但北极熊较高的乳头弥补了它们较小的脚掌，使它们的摩擦剪切应力增加了30-50%。
“乳头并不是北极熊独有的。之前的研究（在这个领域）做了一个隐含的假设，即乳突本身是为了在雪地上增强牵引力而适应的，而没有研究其他熊的脚掌。加纳说：“我们发现其他北美熊也有这些乳头，这对我们来说很有趣。这些乳头的物理特征是在雪地上牵引力的关键。”
对牵引力的影响
现在这项研究已经发表，其他科学家和制造商可以将其应用到他们的具体项目中。
迪诺瓦拉说：“如果你看看雪地轮胎，你会发现它们确实有一些更深的胎纹，但这项研究也可以展示各种设计方法，这些方法可以产生更大的影响。”
但感兴趣的不仅仅是轮胎制造商。他补充说：“从事高空攀登的人对这项研究很感兴趣，专门在恶劣天气下运送货物的公司也希望有更好的抓地力，等等。”
同样的实验也可以在狗、狼、狐狸和山羊等动物身上进行，以确定不同的动物是否存在特定的冰雪诱导的表面粗糙度曲线，[TE1]或者大自然是否为了增加在冰雪上的牵引而进化出不同的表面粗糙度曲线，以及哪种表面粗糙度曲线具有最佳性能。
以过去的研究为基础
这并不是UA在牵引力或抓地力领域进行的第一次研究。作为阿克伦大学仿生学研究中心（BRIC）的一部分，Dhinojwala和他的团队与BRIC项目的教职员工合作，研究了壁虎的粘附性、蜘蛛丝、贻贝的粘附性以及受鸟类和其他生物启发的结构颜色。他的研究得到了美国国家科学基金会、美国空军科学研究和工业办公室的支持。
他的团队正在继续研究冰——冰是如何形成的，冰的粘附性等等。这项研究对汽车和飞机工业非常有帮助。他的学生刚刚开始与美国国家航空航天局合作，参与该领域的一个资助项目。
迪诺瓦拉说：“让我们的学生参与这样有趣的研究项目是令人兴奋的。”“他们是我们团队的财富，许多人在离开UA后继续成为优秀的研究伙伴。”
加纳说：“亚利桑那大学的综合生物科学博士项目提供了非凡的跨学科研究经验，这对我作为一名研究人员的发展形成了重要影响，这次合作当然是其中之一。”“这对我来说是一次特别独特的经历，因为在此之前我的大部分工作都集中在壁虎等小蜥蜴是如何附着在表面上的。因此，这是一个令人兴奋和有益的机会，可以将我现有的技能和专业知识应用于熊等大型哺乳动物。我在亚利桑那大学的集体经历以及教职员工的支持和指导，对我现在在雪城大学生物系和生物启发研究所的职位做了很好的准备。”
媒体联系：克里斯汀·博伊德，330-972-6476或cboyd@uakron.edu。