Ученые обнаружили, что рис ведет себя крайне необычным образом: он ослабевает при быстром сжатии, но остается прочнее при медленном давлении. Используя этот эффект, они разработали новый материал, который по-разному реагирует на легкие движения и внезапные удары. Материал может автоматически адаптировать свою жесткость, что открывает возможности для создания более безопасных мягких роботов и защитного оборудования, мгновенно реагирующего на столкновения.
Эксперименты показали, что плотно упакованные рисовые зерна реагируют совершенно по-разному в зависимости от скорости приложения нагрузки. При более высоких скоростях нагружения материал значительно ослабевает.
Это явление, известное как “снижение скорости трения”, редко встречается в большинстве материалов. Исследователи обнаружили, что оно происходит из-за того, что трение между отдельными рисовыми зернами резко падает при быстром приложении силы. В результате внутренние силовые сети, которые обычно помогают поддерживать нагрузку, ослабевают.
Использовав это необычное свойство, команда разработала новый метаматериал – искусственно созданную композитную структуру, предназначенную для проявления свойств, не встречающихся в природных материалах.
Создание самоадаптирующегося метаматериала
Для создания нового материала исследователи объединили гранулированные частицы на основе риса с такими материалами, как песок, которые становятся прочнее при быстром воздействии нагрузки. В результате получился гранулированный метаматериал, способный по-разному реагировать на медленные движения и внезапные удары.
В зависимости от ситуации материал может изгибаться, деформироваться или затвердевать различными способами, и всё это без использования электроники, датчиков или активных систем управления.
Доктор Минчао Лю из Бирмингемского университета сказал: “Рис, возможно, наиболее известен во всем мире как основной продукт питания, но его редко связывают с передовыми инженерными разработками. Наше исследование показывает, что он может стать основой нового класса функциональных материалов”.
“Вместо того чтобы рассматривать это явление как любопытство, мы превратили его в принцип проектирования. Такой подход позволил нам создать материал, который может изгибаться, деформироваться или затвердевать по-разному при медленных движениях и резких ударах – без электроники, датчиков или активного управления. Вместо того чтобы указывать конструкции, как реагировать, мы позволили физике решать за нас: быстрые нагрузки вызывают одно поведение, медленные – другое”.
Исследователи утверждают, что эта работа демонстрирует, как обычные гранулированные материалы могут быть преобразованы в инженерные системы, которые интеллектуально реагируют, используя свои собственные механические свойства.
Потенциальные области применения в робототехнике и средствах защиты
Метаматериалы, чувствительные к скорости, могут открыть новые возможности в мягкой робототехнике. В отличие от традиционных металлических роботов, будущие системы, созданные из этих материалов, могут быть легче, безопаснее и более адаптируемыми.
Подобные роботы могут быть особенно полезны для работы бок о бок с людьми, функционирования в сложных условиях и выполнения деликатных задач, включая помощь при хирургических операциях.
Этот материал также может найти применение в защитном снаряжении. Поскольку он может по-разному реагировать в зависимости от скорости удара, он может поглощать энергию или деформироваться контролируемым образом во время столкновения, помогая снизить риск травм.
Важно отметить, что эти реакции происходят без необходимости использования электроники, внешнего источника питания или датчиков, что позволяет самому материалу автоматически адаптироваться к изменяющимся условиям.
