В Китае рис превратили в метаматериал для робототехники
Исследователи из Бирмингемского университета обнаружили, что обычные рисовые зерна могут вести себя как «умный» материал, реагируя на скорость приложенной нагрузки. Результаты исследования опубликованы в журнале Matter.
Неожиданное поведение риса
Если сжимать рис медленно, зерна остаются прочными и держат форму. Но при резком, быстром давлении они словно «расслабляются» и теряют жесткость. Это происходит из-за того, что трение между зернами резко падает, и внутренние связи, которые обычно держат материал, ослабевают. Благодаря этому обычный рис можно рассматривать не только как еду, но и как материал для инженерных решений.
«Рис, возможно, известен всему миру как продукт питания, но его редко связывают с передовыми инженерными разработками. Наше исследование показывает, что он может стать основой нового класса функциональных материалов», — говорит доктор Минчао Лю.
Создание метаматериалов
Комбинируя рис с другими гранулированными веществами, например с песком, который упрочняется при быстрых нагрузках, ученые создали композиты, способные изменять свойства в зависимости от скорости воздействия. При медленном приложении силы материал остается гибким и пластичным, а при резком воздействии — затвердевает, что обеспечивает защиту или поддержку.
Такие материалы не требуют датчиков, электроники или активного управления.
«Вместо того чтобы указывать конструкции, как реагировать, мы позволяем физике решать за нас: быстрые нагрузки вызывают одно поведение, медленные — другое», — объясняет Лю.
Применение в робототехнике
Материалы, чувствительные к скорости, открывают новые возможности в мягкой робототехнике. Роботы из таких композитов могут быть легче, безопаснее и адаптивнее, чем металлические конструкции. Они способны изгибаться, деформироваться или затвердевать в зависимости от задачи, что особенно важно при взаимодействии с людьми или в сложных природных условиях.
Кроме того, подобные материалы могут использоваться для разработки адаптивного защитного снаряжения: шлемов, накладок и жилетов, которые меняют жесткость при ударе, поглощая энергию и снижая риск травм. Это особенно актуально в спорте, промышленности и для аварийно-спасательных служб.
Зернистая физика вместо электроники
Команда использовала принципы зернистой физики, чтобы материалы сами регулировали жесткость и гибкость. Рис и другие гранулированные вещества формируют структуру, которая автоматически реагирует на интенсивность и скорость нагрузки. Такой подход позволяет создавать автономные системы, работающие без сложной электроники, датчиков или программного обеспечения.
«Мы не просто создаем новый материал, мы создаем систему, которая сама понимает, когда нужно быть гибкой, а когда — жесткой. Это открывает путь к адаптивным конструкциям, способным самостоятельно регулировать свои свойства», — добавляет Лю.
Возможности и перспективы
Открытие показывает, что привычные материалы могут использоваться для инженерных целей, превращаясь в интеллектуальные системы благодаря своим физическим свойствам. Метаматериалы, чувствительные к скорости, могут найти применение в роботах, защитном снаряжении, строительных и медицинских устройствах, где требуется автономная реакция на нагрузку.
Применение обычного риса и других сыпучих материалов делает такие решения дешевле и доступнее. Конструкторы могут создавать системы, которые сами «чувствуют» силу и реагируют на нее, полагаясь на свойства материала, а не на электронику или сложные датчики.
