Μια απρόσμενη ιδιότητα του ρυζιού ενέπνευσε τη δημιουργία μιας νέας κατηγορίας επεξεργασμένων υλικών. Το ρύζι συμπεριφέρεται με απροσδόκητο τρόπο υπό πίεση. Όταν συμπιέζεται γρήγορα, γίνεται πιο αδύναμο, αλλά υπό αργή πίεση παραμένει ισχυρό.
Αυτή η γνώση βοηθά τους επιστήμονες να αναπτύξουν ένα νέο υλικό που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε “μαλακά” ρομπότ που προσαρμόζουν αυτόματα τη σκληρότητά τους, καθώς και σε προστατευτικό εξοπλισμό που αντιδρά ανάλογα με την ταχύτητα της πρόσκρουσης. Χρησιμοποιώντας αυτή την ιδιότητα, οι ερευνητές δημιούργησαν έναν νέο τύπο “μεταϋλικού“, μια τεχνητή δομή σχεδιασμένη να παρουσιάζει συμπεριφορές που δεν συναντώνται στα φυσικά υλικά.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Matter, μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ διαπίστωσε ότι οι στενά συσκευασμένοι κόκκοι ρυζιού αντιδρούν πολύ διαφορετικά, ανάλογα με το πόσο γρήγορα ασκείται η δύναμη.
Σε υψηλότερες ταχύτητες, το υλικό εξασθενεί μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως “μαλάκυνση λόγω ρυθμού” (rate softening), κάτι που είναι ασυνήθιστο για τα περισσότερα υλικά. Αυτό συμβαίνει επειδή η τριβή μεταξύ των κόκκων πέφτει σημαντικά καθώς αυξάνεται η ταχύτητα, διαταράσσοντας τα εσωτερικά δίκτυα δυνάμεων που κανονικά φέρουν το φορτίο.
Σχεδιάζοντας ένα έξυπνο κοκκώδες υλικό
Για να εκμεταλλευτεί αυτό το φαινόμενο, η ομάδα συνδύασε σωματίδια με βάση το ρύζι με υλικά όπως η άμμος, τα οποία γίνονται ισχυρότερα υπό ταχεία φόρτιση.
Το αποτέλεσμα είναι ένα σύνθετο κοκκώδες υλικό που μπορεί να λυγίσει, να παραμορφωθεί ή να σκληρύνει ανάλογα με το αν οι δυνάμεις ασκούνται σταδιακά ή ξαφνικά, χωρίς να βασίζεται σε ηλεκτρονικά συστήματα, αισθητήρες ή ενεργό έλεγχο.
Ο Dr. Mingchao Liu, από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ, δήλωσε: «Το ρύζι μπορεί να είναι περισσότερο γνωστό ως βασικό είδος διατροφής παγκοσμίως, αλλά σπάνια συνδέεται με την προηγμένη μηχανική. Η έρευνά μας δείχνει ότι μπορεί να αποτελέσει τη βάση για μια νέα κατηγορία λειτουργικών υλικών»
Ο ίδιος συνεχίζει: «Αντί να αντιμετωπίσουμε αυτό το φαινόμενο ως αξιοπερίεργο, το μετατρέψαμε σε σχεδιαστική αρχή. Αυτή η προσέγγιση μας επέτρεψε να δημιουργήσουμε ένα υλικό που μπορεί να λυγίζει, να παραμορφώνεται ή να σκληραίνει διαφορετικά σε αργές κινήσεις σε σχέση με τις απότομες κρούσεις – χωρίς ηλεκτρονικά συστήματα, αισθητήρες ή ενεργό έλεγχο. Αντί να υπαγορεύουμε σε μια δομή πώς να αντιδράσει, αφήνουμε τη φυσική να αποφασίσει: τα γρήγορα φορτία ενεργοποιούν μια συμπεριφορά, τα αργά μια άλλη».
Από καθημερινά υλικά σε προηγμένα συστήματα
Τα ευρήματα αναδεικνύουν πώς κοινά κοκκώδη υλικά μπορούν να μετατραπούν σε συστήματα που αντιδρούν έξυπνα μέσω των εγγενών μηχανικών τους ιδιοτήτων.
Αυτά τα ευαίσθητα στην ταχύτητα μεταϋλικά θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες εξελίξεις στη μαλακή ρομποτική, επιτρέποντας τη δημιουργία μηχανών που είναι ελαφρύτερες, ασφαλέστερες και πιο προσαρμόσιμες από τα παραδοσιακά μεταλλικά σχέδια.
Τέτοια ρομπότ θα μπορούσαν να εργάζονται πιο αποτελεσματικά δίπλα σε ανθρώπους, να λειτουργούν σε ακραία περιβάλλοντα ή να εκτελούν εργασίες ακριβείας, όπως η υποβοήθηση σε χειρουργικές επεμβάσεις.
Επειδή το υλικό δεν απαιτεί ηλεκτρονικά συστήματα, ενέργεια ή αισθητήρες, θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί σε προστατευτικό εξοπλισμό που αντιδρά ακαριαία στην ταχύτητα της πρόσκρουσης.
Μπορεί να απορροφά ενέργεια ή να παραμορφώνεται με ελεγχόμενο τρόπο υπό απότομη δύναμη, βοηθώντας στη μείωση του κινδύνου τραυματισμού.