佐治亚理工学院
这部漫画以一种激动人心和引人入胜的方式描绘了巴姆拉实验室的研究——所有这些都指向好奇心驱动的科学，以及它如何影响科学研究
荣誉:佐治亚理工学院林赛·利 大约在公元前300年，古希腊艺术首次描绘了手指的折断
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今天，在漫威最新的《复仇者联盟》电影中，同样的抓拍引发了反派灭霸的邪恶力量
这两种媒体激发了佐治亚理工学院的一组研究人员研究手指折断的物理现象，并确定摩擦是如何起关键作用的
使用中等大小的摩擦力，不要太高也不要太低，手指一弹就能产生人类所能观察到的最高旋转加速度，甚至比职业棒球投手的手臂还要快
研究结果于11月11日公布
17发表在皇家学会界面杂志上
这项研究由佐治亚理工学院的一名本科生Raghav Acharya，以及博士生Elio Challita、化学和生物分子工程学院的助理教授Saad Bhamla和加州克莱蒙哈维穆德学院的助理教授Mark Ilton领导
他们的研究结果有朝一日可能会为旨在模仿人手各种能力的假肢设计提供信息
巴姆拉说，这个项目也是他所说的好奇心驱动的科学的一个主要例子，日常事件和生物行为可以作为新发现的数据来源
巴姆拉说:“在过去的几年里，我一直着迷于我们如何打响指。”
“这确实是一个悬而未决的物理难题，还没有被仔细研究过
" 在早期的工作中，巴姆拉、艾顿和其他同事开发了一个通用的框架来解释在活生物体中观察到的惊人的强大和超快运动
这个框架似乎很自然地适用于快照
它认为生物体依靠弹簧和闭锁机制来储存能量，然后迅速释放
带有声音的慢动作手指按扣
信用:佐治亚理工学院 阿查里亚和巴姆拉在观看了2018年4月上映、由漫威影业有限责任公司制作的电影《复仇者联盟3：无限战争》后，觉得将这一框架应用于手指抓拍有着特殊的推动作用
在书中，灭霸，一个邪恶的角色，试图获得六块特殊的石头，并把它们放进他的金属手套里
在收集了所有这些之后，他打响指，引发了全宇宙的后果
但是研究人员问，戴着护甲手套的时候有可能突然折断吗？在手指折断的情况下，他们怀疑与其他弹簧和闩锁系统相比，皮肤摩擦扮演了更重要的角色
由于金属排管的摩擦特性，他们认为这是不可能的
利用高速成像、自动图像处理和动态力传感器，研究人员分析了各种手指抓拍
他们探索了摩擦的作用，用不同的材料覆盖手指，包括金属顶针，以模拟戴着金属手套时试图折断的效果，很像灭霸
对于一次普通的徒手抓拍，研究人员测量的最大旋转速度为每秒7800度，旋转加速度为1
每秒600万度平方
旋转速度小于在人类中观察到的最快旋转运动的测量速度，该速度来自职业棒球运动员在投球动作期间的手臂
然而，瞬发加速度是迄今为止最快的人类角加速度，几乎比职业棒球投手手臂的旋转加速度快三倍
“当我第一次看到这些数据时，我从椅子上跳了起来，”巴姆拉说，他研究从单细胞到昆虫等各种生物系统的超快运动
“手指折断只需7毫秒，比眨眼快20多倍，眨眼需要150多毫秒
" 当受试者的指尖被金属顶针覆盖时，他们的最大旋转速度急剧下降，证实了研究人员的直觉
萨阿德·巴姆拉掰
信用:佐治亚理工学院 该研究的第一作者阿查里亚说:“我们的结果表明，灭霸不可能因为他的金属装甲手指而折断。”
“所以，这可能是好莱坞的特效，而不是实际的物理，在发挥作用！抱歉打扰了
" 他们通过考虑顶针覆盖的手指之间减少的接触面积来解释这种减少
这项工作的合著者查利塔说:“皮肤的压缩使系统更加容错。”
“减少皮肤的可压缩性和摩擦力会让你更难在手指中建立足够的力量来真正折断
" 令人惊讶的是，增加指尖与橡胶覆盖物的摩擦也会降低速度和加速度
研究人员得出结论，摩擦的金发区是必要的——摩擦力太小，没有储存足够的能量来驱动弹簧，摩擦力太大导致能量耗散，因为手指需要更长的时间才能滑过彼此，将储存的能量浪费在热量上
研究人员用捕捉过程的各种数学模型来解释他们的观察结果
他们发现，包括弹簧和软摩擦接触闩锁的模型可以再现他们结果的定性特征
“我们将软摩擦接触纳入我们的数学模型，结果强化了摩擦在实现超快运动中发挥的核心作用，”Ilton说
“这个模型现在可以帮助我们理解白蚁和蚂蚁等其他动物是如何咬断它们的下颌骨的，以及合理地为工程应用设计生物智能执行器
" 描绘手指按扣的古希腊花瓶
信用:维基公共 约翰·朗是美国国家科学基金会综合生物系统部的项目主管，负责监督生理机制和生物力学项目的研究，该项目目前资助巴姆拉对动物超快行为的研究
他说:“这项研究是一个很好的例子，说明我们可以通过聪明的实验和有见地的计算建模学到什么。”
“通过展示手指之间不同程度的摩擦会改变弹指的弹性，这些科学家打开了一扇大门，让我们发现了其他生物体的工作原理，并让这种机制在生物感应机器人等工程系统中发挥作用。”
" 约翰·朗是美国国家科学基金会生物科学委员会的项目主任，负责监督生理机制和生物力学项目的研究，该项目目前资助巴姆拉对动物超快行为的研究
“博士的研究
巴姆拉和他的同事是一个很好的例子，说明我们可以通过聪明的实验和有见地的计算建模来学习什么，”他说
“通过展示手指之间不同程度的摩擦会改变按扣的弹性，他们打开了一扇大门，让我们发现了这些在其他生物体内运作的原理，并让这种柔软、复杂、可调节的机制在工程系统中发挥作用，比如生物侦察机器人
" 研究人员认为，这些结果为未来的研究提供了各种机会，包括理解为什么人类会突然出现，以及人类是否是唯一进化出这种身体能力的灵长类动物
“基于公元前300年的古希腊艺术
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在那之前，人类很可能已经掰着手指头几十万年了，然而我们现在才开始科学地研究它，”巴姆拉说
“这是我实验室里唯一一个我们可以打响指并获取数据的科学项目
"
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