Το ρύζι είναι γνωστό ως μία από τις πιο σημαντικές καλλιέργειες τροφίμων στον κόσμο, αλλά οι επιστήμονες έχουν πλέον δείξει ότι μπορεί επίσης να συμβάλει στην έμπνευση μιας νέας γενιάς έξυπνων υλικών.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι συσκευασμένοι κόκκοι ρυζιού συμπεριφέρονται ασυνήθιστα κάτω από το στρες. Όταν συμπιέζονται αργά, οι κόκκοι είναι σχετικά δυνατοί. Αλλά αν συμπιεστούν γρήγορα, στην πραγματικότητα γίνονται πιο αδύναμα. Αυτή η εκπληκτική συμπεριφορά επέτρεψε στους επιστήμονες να αναπτύξουν ένα νέο υλικό που θα μπορούσε μια μέρα να χρησιμοποιηθεί σε μαλακά ρομπότ που προσαρμόζουν αυτόματα την ακαμψία και τον προστατευτικό εξοπλισμό τους που αντιδρά διαφορετικά ανάλογα με τη δύναμη της πρόσκρουσης.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ ανέφερε τα ευρήματά της στο περιοδικό ύλη.
Μη φυσιολογική απόκριση του ρυζιού στο στρες
Οι δοκιμές έχουν δείξει ότι οι σφιχτά συσκευασμένοι κόκκοι ρυζιού ανταποκρίνονται πολύ διαφορετικά ανάλογα με το πόσο γρήγορα εφαρμόζεται το φορτίο. Σε υψηλές ταχύτητες φόρτωσης, το υλικό εξασθενεί σημαντικά.
Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως “απαλύνοντας ρυθμό”, είναι ασυνήθιστο στα περισσότερα υλικά. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό συμβαίνει επειδή η τριβή μεταξύ των κόκκων του ρυζιού μειώνεται δραστικά όταν οι δυνάμεις εφαρμόζονται γρήγορα. Ως αποτέλεσμα, τα εσωτερικά δίκτυα δυνάμεων που συνήθως βοηθούν στην υποστήριξη του φορτίου εξασθενούν.
Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτή την ασυνήθιστη ιδιότητα για να αναπτύξει ένα νέο μεταϋλικό, μια μηχανική σύνθετη δομή που έχει σχεδιαστεί για να παρουσιάζει συμπεριφορά που δεν βρίσκεται σε φυσικά υλικά.
Δημιουργία ενός αυτοπροσαρμοζόμενου μεταϋλικού
Για να δημιουργήσουν το νέο υλικό, οι ερευνητές συνδύασαν κοκκώδεις μονάδες με βάση το ρύζι με υλικά όπως η άμμος, τα οποία γίνονται ισχυρότερα όταν υποβάλλονται σε γρήγορη φόρτωση. Το αποτέλεσμα ήταν ένα κοκκώδες μεταϋλικό ικανό να ανταποκρίνεται διαφορετικά σε αργές και ξαφνικές κρούσεις.
Ανάλογα με την κατάσταση, το υλικό μπορεί να λυγίσει, να λυγίσει ή να σκληρύνει με διάφορους τρόπους χωρίς ηλεκτρονικά, αισθητήρες ή ενεργά συστήματα ελέγχου.
Ο Δρ Mingchao Liu από το Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ είπε: “Το ρύζι μπορεί να είναι περισσότερο γνωστό ως βασική τροφή παγκοσμίως, αλλά σπάνια συνδέεται με προηγμένη μηχανική. Η έρευνά μας δείχνει ότι θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση μιας νέας κατηγορίας λειτουργικών υλικών.
“Αντί να αντιμετωπίζουμε αυτό το φαινόμενο ως περιέργεια, το μετατρέψαμε σε σχεδιαστική αρχή. Αυτή η προσέγγιση μάς έδωσε τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε ένα υλικό που θα μπορούσε να λυγίσει, να λυγίσει ή να σκληρύνει διαφορετικά κάτω από αργές έναντι ξαφνικές κρούσεις — χωρίς ηλεκτρονικά, αισθητήρες ή ενεργά χειριστήρια. Αντί να πούμε σε μια δομή πώς να ανταποκριθεί, αφήνουμε κάποιον να αποφασίσει τη δυναμική συμπεριφορά.”
Οι ερευνητές είπαν ότι η εργασία υπογραμμίζει πώς απλά κοκκώδη υλικά μπορούν να μετατραπούν σε μηχανικά συστήματα που ανταποκρίνονται έξυπνα μέσω των δικών τους μηχανικών ιδιοτήτων.
Πιθανές εφαρμογές στη ρομποτική και τον εξοπλισμό ασφαλείας
Τα ευαίσθητα στην κίνηση μεταϋλικά θα μπορούσαν να ανοίξουν νέες δυνατότητες στη μαλακή ρομποτική. Σε αντίθεση με τα παραδοσιακά μεταλλικά ρομπότ, τα μελλοντικά συστήματα που κατασκευάζονται με αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να είναι ελαφρύτερα, ασφαλέστερα και πιο προσαρμόσιμα.
Τέτοια ρομπότ μπορούν να είναι ιδιαίτερα χρήσιμα για την εκτέλεση λεπτών εργασιών, συμπεριλαμβανομένης της εργασίας δίπλα σε ανθρώπους, της λειτουργίας σε δύσκολα περιβάλλοντα και της βοήθειας στη χειρουργική επέμβαση.
Το υλικό μπορεί επίσης να έχει εφαρμογές σε προστατευτικό εξοπλισμό. Επειδή μπορεί να αντιδράσει διαφορετικά ανάλογα με την ταχύτητα μιας πρόσκρουσης, μπορεί να απορροφήσει ή να εκτρέψει την ενέργεια με ελεγχόμενο τρόπο κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, συμβάλλοντας στη μείωση του κινδύνου τραυματισμού.
Είναι σημαντικό ότι αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν χωρίς την ανάγκη για ηλεκτρονικά, εξωτερική ισχύ ή αισθητήρες, επιτρέποντας στο υλικό να προσαρμόζεται αυτόματα στις μεταβαλλόμενες συνθήκες.
