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，他们试图通过鞋底材料的仿生设计来解决问题。

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，利用Kirigami折纸艺术，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。

在本研究中，研究人员使用钢片在鞋底制备出kirigami结构，其可以在鞋底平放和弯曲变形时变换出不同的外形，以增强鞋钉与步行表面之间的摩擦性能，降低滑倒和摔倒的风险。

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，研究人员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。并通过对三种形状的鞋钉（凹型、三角型、凸型）在常态和弯曲时与不同基底（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。而对于乙烯基等的半硬基底，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。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。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。

最后，研究人员进行了常规步幅行走时的鞋底摩擦力的真人测试。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，并与商品鞋底进行对比发现，kirigami鞋底展现出更强的最大摩擦力。此外，五种不同排布方式的kirigami鞋底在冰面上的摩擦系数比多种商品鞋底的摩擦系数高两倍。

目前，研究人员正在研究将其设计成一个单独的元素，嵌在鞋体下，以便在需要时进行附加。

论文题目：Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41551-020-0564-3#Sec16