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.

Неожиданное поведение риса

Если сжимать рис медленно, зерна останутся крепкими и сохранят свою форму. Но при резком, быстром надавливании они как бы «расслабляются» и теряют жесткость. Это происходит потому, что трение между зернами резко падает, а внутренние связи, которые обычно удерживают материал вместе, ослабевают. Благодаря этому обычный рис можно рассматривать не только как продукт питания, но и как материал для инженерных решений.

"Рис может быть известен во всем мире как пищевой продукт, но он редко ассоциируется с передовой инженерией. Наши исследования показывают, что он может лечь в основу нового класса функциональных материалов", - говорит доктор Минчао Лю.

Создание метаматериалов

Соединяя рис с другими гранулированными веществами, например песком, который затвердевает при быстрой нагрузке, ученые создали композиты, способные менять свойства в зависимости от скорости удара. Когда сила применяется медленно, материал остается гибким и податливым, а когда сила применяется резко, он затвердевает, обеспечивая защиту или поддержку.

Такие материалы не требуют датчиков, электроники или активного управления.

«Вместо того, чтобы указывать проектам, 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, изготовленные из таких композитов, могут быть легче, безопаснее и адаптируемее, чем металлические конструкции. Они способны сгибаться, деформироваться или затвердевать в зависимости от поставленной задачи, что особенно важно при взаимодействии с людьми или в сложных природных условиях.

Кроме того, такие материалы могут быть использованы для разработки адаптивной защитной экипировки: шлемов, накладок и жилетов, изменяющих жесткость при ударе, поглощающих энергию и снижающих риск получения травм. Это особенно актуально в спорте, промышленности и службах экстренной помощи.

Зернистая физика вместо электроники

Команда использовала принципы физики зерен, чтобы позволить материалам регулировать собственную жесткость и гибкость. Рис и другие сыпучие вещества образуют структуру, автоматически реагирующую 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 понимает, когда ему нужно быть гибким, а когда - жестким. Это открывает путь к адаптивным конструкциям, которые могут саморегулировать свои свойства", - добавляет Лю.

Возможности и перспективы

Открытие показывает, что обычные материалы можно использовать в инженерных целях, превращая их в интеллектуальные системы благодаря своим физическим свойствам. Метаматериалы, чувствительные к скорости, могут найти применение в роботах, защитном оборудовании, строительстве и медицинских устройствах, требующих автономного реагирования на нагрузку.

Использование обычного риса и других сыпучих материалов делает такие решения более дешевыми и доступными. Конструкторы могут создавать системы, которые «чувствуют» силу и реагируют на нее, полагаясь на свойства материала, а не на электронику или сложные датчики.