Logotipo de desafío de topografía de superficie. Crédito: Lucia Brunold
Cualquiera que haya resbalado en un piso pulido o sintió que sus neumáticos giraban en la nieve conocen instintivamente la importancia de las superficies. Ciertamente, aquellos en la fabricación, ya sea de robots, zapatillas o semiconductores, entienden que son vitales. Sin embargo, a pesar de toda la importancia de las superficies, los intentos de medir con precisión y describir su topografía varían enormemente.
Tevis Jacobs de la Universidad de Pittsburgh y Lars Pastewka de la Universidad de Friburgo se han asociado con Martin Müser de la Universidad de Saarland y el estudiante graduado de Jacobs, Arushi Pradhan, para llevar a cabo un desafío mundial para aumentar la conciencia de cómo se mide y descrita la topografía de la superficie.
Los resultados de su investigación se publican en el artículo “The Surface-Topography Challenge: un estudio de referencia multiaboratorio para avanzar en la caracterización de la topografía“En Tribology Letters.
Jacobs, Profesor de William Kepler Whiteford en Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales, estudia el rendimiento de la superficie, particularmente la adhesión, la fricción y el desgaste, con aplicaciones de accidentes de deslizamiento y caída, hasta la función de dispositivos médicos, para la fabricación de chips de computadora.
Estas aplicaciones dependen de la rugosidad de las superficies, o su topografía, y las variaciones en la topografía afectan profundamente cómo los objetos interactúan con el mundo.
“La aspereza importa a la escala nanómetro”, dijo Jacobs. En robótica, por ejemplo, la capacidad de una pinza para recuperar artículos frágiles en un almacén depende de la topografía en muchas escalas de tamaño diferente. Sin embargo, como señaló, “cualquier medición individual no puede describir completamente una superficie”.
“Los métodos estándar de la industria para medir y caracterizar la rugosidad funcionan bien en ciertos casos, pero están limitados en la información que contienen y el poder predictivo que pueden proporcionar”, agregó Pastewka, profesora del Departamento de Ingeniería de Microsistemas y colaborador de mucho tiempo con Jacobs.
Cuando los investigadores científicos miden las superficies, a menudo no utilizan las métricas estándar de la industria, a favor de mediciones más precisas y descriptores de superficie más complejos. Pero el problema es que hay una amplia gama de herramientas, técnicas y modelos matemáticos que pueden aplicar diferentes investigadores.
“Podrías pensar en ello como la parábola de los ciegos y el elefante”, dijo Jacobs. “Para tratar de comprender el animal grande, cada ciego pone una mano en una parte diferente de su cuerpo y llega a una conclusión completamente diferente al respecto.
“Cada investigador científico mide un aspecto de la superficie, pero diferentes técnicas y escalas de diferentes tamaños crean imágenes notablemente diferentes de un solo objeto”.
Desafiar a la comunidad científica a obtener una imagen más completa
En 2015, Martin Müser, profesor de soluciones de materiales, lanzó su Desafío de mecánica de contacto Al crear una superficie topográfica basada en computadora que envió a los investigadores. Estos académicos aplicaron cualquier teorías, cálculos y modelos que querían calcular sus propiedades y resolver un problema relacionado con la adhesión. Sus métodos fueron comparados y evaluados para su eficacia.
El desafío de Müser representó un punto más alto en el modelado de la rugosidad, y Jacobs y Pastewka quedaron impresionados. Se preguntaban: ¿Qué pasaría si hiciéramos eso con una superficie del mundo real?
En una conferencia de investigación de Gordon 2022, Jacobs, Pastewka, Müser y el erudito postdoctoral de la Universidad de Pittsburgh, Nathaniel Miller, anunciaron el Desafío de topografía de superficie. Utilizando la misma tecnología utilizada para crear microchips, el equipo creó dos superficies diferentes, una suave, la otra más áspera, ambas recubiertas de nitruro de cromo. Las muestras fueron producidas en masa para la uniformidad.
Muestras de las dos superficies utilizadas en el desafío de topografía de superficie. Crédito: Tevis Jacobs
Luego, el equipo envió muestras de ambas superficies a cualquiera que solicitara participar. Se pidió a los participantes que medían las superficies utilizando las herramientas y técnicas que prefirieran, y luego que cargaran sus datos sin procesar en un repositorio central.
Aunque al equipo le preocupaba que solo unos pocos investigadores participaran, estaban sorprendidos y agradecidos de que más de 150 personas participaron, de universidades, laboratorios nacionales y empresas. En total, había participantes de 64 grupos en 20 países; Los participantes presentaron un total de 2,088 mediciones individuales.
Müser dijo: “Ver una cantidad tan grande de participantes en el desafío de la topografía de la superficie refleja el interés generalizado en avanzar en nuestra comprensión de la topografía y cómo podemos medirla mejor”.
“La comunidad de simulación ha avanzado enormes en la predicción del rendimiento de las superficies rugosas, pero estos avances han tenido una aplicabilidad limitada debido a la falta de medición integral de la topografía para superficies del mundo real”, dijo Pastewka.
“Ahora, para obtener tantas medidas de estas dos superficies, estamos obteniendo ideas prácticas sobre la mejor manera de aplicar la teoría en la fabricación del mundo real. La participación de la comunidad ha sido inspiradora”.
Encontrar una topografía más verdadera
Esencial para el proyecto, como dijo Jacobs, fue su estudiante graduado Arushi Pradhan. “Ella procesó todos los datos de una manera que iluminó las ideas que provenían de este proyecto. Cuando los cuatro nos conocimos, ella contribuyó con un análisis vital de los resultados. No podríamos haber completado esta investigación sin ella”.
Los datos reflejaron la diferencia dramática en los resultados en las técnicas que emplearon los científicos. De hecho, mediante una medida de rugosidad (la altura media de la raíz (RMS)), las diferentes mediciones en diferentes grupos variaron en un factor de 1,000,000.
Como dijo Pradhan, “los datos revelaron lo difícil que es llegar a un consenso sobre una topografía de superficie. Tuvimos que corregir las inconsistencias, los artefactos y los límites de resolución, así como determinar qué técnicas incluir o excluir al describir las superficies. Pero con todas estas mediciones, podríamos llegar a una topografía truerenta”.
Si bien Jacobs entiende que no es práctico que los fabricantes empleen las muchas técnicas utilizadas durante el desafío, espera que consideren una conclusión central: medir la misma superficie con diferentes escalas y técnicas, incluso solo dos o tres, produce resultados más precisos.
“Este desafío de topografía de superficie no fue solo para algunos investigadores; es para cualquiera que se preocupe por el rendimiento de la superficie”, dijo Jacobs. “Nuestro objetivo final es encontrar las métricas de topografía adecuadas, que se pueden utilizar en la investigación, el desarrollo de productos y el aseguramiento de la calidad, para medir, controlar y mejorar el rendimiento de la superficie”.
Aunque el desafío ha cerrado, el equipo continúa Involucrarse y enviar muestras a los investigadores interesados. Estas muestras pueden actuar como un punto de referencia para cualquiera que mida superficies en su trabajo.
“No vemos esto como el final”, dijo Jacobs. “La topografía de la superficie es fundamental para el rendimiento, pero aún no se ha resuelto. Este desafío es solo el comienzo”.
Más información: A. Pradhan et al, El desafío de la topografía superficial: un estudio de referencia multiaboratorio para avanzar en la caracterización de la topografía, las letras de la tribología (2025). Doi: 10.1007/s11249-025-02014-y
Proporcionado por la Universidad de Pittsburgh
Cita: Global Challenge revela grandes diferencias en la medición de la rugosidad de la superficie y la topografía (2025, 31 de julio) Recuperado el 31 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-global-reveals-vast-differences-surface.html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Además de cualquier trato justo con el propósito de estudio o investigación privada, no se puede reproducir ninguna parte sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona solo para fines de información.
