Учени превърнаха ориза в интелигентен метаматериал за роботи и защитни системи

Оризът е известен като една от най-важните хранителни култури в света, но учените доказаха, че той може да послужи и като вдъхновение за създаването на ново поколение интелигентни материали. Изследователите са открили, че пресованите оризови зърна се държат необичайно под налягане. При бавно сгъстяване зърната остават относително здрави, но при бързо сгъстяване се случва точно обратното – те стават по-слаби. Това удивително поведение позволи на учените да създадат нов материал, който в бъдеще може да се използва в меки роботи, автоматично регулиращи своята твърдост, и в защитно оборудване, реагиращо по различен начин в зависимост от силата на удара.

Експериментите показаха, че плътно натъпканите зърна ориз реагират напълно различно в зависимост от скоростта на прилагане на натоварването. При по-високи скорости на натоварване материалът значително отслабва. Това явление, известно като „омекване при скорост“ се среща рядко при повечето материали. Изследователите откриха, че това се случва поради рязкото намаляване на триенето между отделните зърна ориз при бързо прилагане на сила. В резултат на това вътрешните мрежи от сили, които обикновено помагат за издържане на натоварването отслабват.

Екипът използва това необичайно свойство за разработването на нов метаматериал – изкуствена композитна структура, създадена с цел да демонстрира поведение, което не се среща в естествените материали. За да създадат новия материал, изследователите комбинираха гранулирани блокове на базата на ориз с материали като пясък, които стават по-здрави при бързо натоварване. В резултат се получи гранулиран метаматериал, способен да реагира по различен начин на бавни движения и внезапни удари. В зависимост от ситуацията материалът може да се огъва, сгъва или става по-твърд по различни начини – и всичко това без електроника, сензори или системи за активно управление.

„Оризът вероятно е най-известен като основна храна по целия свят и рядко се свързва с авангардното инженерство. Нашето изследване показва, че той може да бъде основа за нов клас функционални материали. Вместо да разглеждаме това явление като куриоз, ние го превърнахме в принцип на проектиране. Този подход ни позволи да създадем материал, който може по различен начин да се огъва, сгъва или втвърдява при бавни движения в сравнение с внезапни удари – без електроника, сензори или активно управление. Вместо да указваме на структурата как да реагира, позволихме на физиката да реши: бързите натоварвания задействат едно поведение, бавните – друго.“

каза Д-р Минчао Лю от Университета в Бирмингам

Изследователите отбелязват, че това изследване показва как обикновени насипни материали могат да бъдат превърнати в инженерни системи, които реагират интелигентно благодарение на собствените си механични свойства. Метаматериалът, чувствителен към скоростта може да отвори нови възможности в областта на меката роботика. За разлика от традиционните метални роботи, бъдещите системи, изградени от тези материали могат да бъдат по-леки, безопасни и адаптивни.

Такива роботи могат да бъдат особено полезни за работа в близост до хора, в сложни условия и при изпълнение на деликатни задачи, включително помощ в хирургията. Материалът може да намери приложение и в защитното оборудване. Тъй като може да реагира по различен начин в зависимост от скоростта на удара, той може да абсорбира енергията или да се деформира по контролиран начин при сблъсък, спомагайки за намаляване на риска от травми. Важно е, че тези реакции протичат без необходимост от електроника, външно захранване или сензори, което позволява на самия материал автоматично да се адаптира към променящите се условия.

Международната изследователска група под ръководството на Университета в Бирмингам публикува своите заключения в списанието Matter.