Rýže mění pravidla hry: Od potraviny k chytrým materiálům pro roboty i ochranu

Rýže se brzy může stát víc než jen základní potravinou. Vědci totiž zjistili, že slisovaná rýže mění svou pevnost v závislosti na tom, jak rychle je stlačována.

Tato vlastnost je nyní využívána k návrhu nových metamateriálů – speciálně upravených kompozitů, které se chovají způsoby, jež jsou pro přírodní materiály nemyslitelné.

Když je rýže stlačována pomalu, zachovává si svou pevnost. Při rychlém stlačení naopak slábne, což je jev nazývaný "rate softening" (změkčení v závislosti na rychlosti).

Tento efekt nastává proto, že tření mezi zrny prudce klesá při rychlém zatížení, čímž oslabuje vnitřní silové sítě, které materiál normálně podpírají.

Vědci v tomto neobvyklém chování spatřili příležitost. Kombinací rýže s granulárními materiály, které zesilují při rychlém zatížení, jako je písek, vytvořili kompozity, jež reagují odlišně v závislosti na způsobu manipulace.

Materiály se mohou ohýbat, prohýbat nebo zpevňovat bez potřeby elektroniky, senzorů či aktivního řízení.

Dr. Mingchao Liu z University of Birmingham uvedl: „Rýže je sice celosvětově známá jako základní potravina, ale málokdy je spojována s pokročilým inženýrstvím. Náš výzkum ukazuje, že může tvořit základ nové třídy funkčních materiálů.“ Místo ovládání materiálu elektronikou tým nechal pracovat fyziku.

„Namísto toho, abychom struktuře říkali, jak má reagovat, necháme rozhodnout fyziku: rychlé zatížení vyvolá jedno chování, pomalé zatížení jiné,“ dodal Liu. Tento přístup umožňuje inženýrům stavět systémy, které automaticky reagují na napětí a rychlost.

Takové metamateriály citlivé na rychlost mají okamžité uplatnění v oblasti měkké robotiky. Roboti vyrobení z těchto materiálů by mohli být lehčí, bezpečnější a adaptabilnější než tradiční kovové stroje. Mohli by asistovat lidem, navigovat v náročných prostředích nebo provádět jemné úkony, jako je chirurgie.

Výzkum také naznačuje využití v nositelném ochranném vybavení, které se přizpůsobuje rychlosti nárazu. Přilby, chrániče nebo jiná zařízení by se mohla bezpečně deformovat při náhlých otřesech nebo absorbovat energii při rychlých nárazech, aby zabránila zranění.

Širší dopad spočívá v tom, že běžná granulární hmota může být transformována do inteligentních systémů prostřednictvím své inherentní mechaniky.

Studováním neobvyklé reakce rýže na různé rychlosti zatížení mají nyní inženýři plán pro materiály, které autonomně upravují svou tuhost a pružnost bez přidaného hardwaru. Tento objev by mohl vést k nové generaci adaptivních, fyzikálně řízených strojů a ochranných pomůcek. Pomocí jednoduchých materiálů, jako je rýže, mohou designéři vytvářet struktury, které přirozeně vnímají a reagují na síly, spoléhajíce se na mechanické chování namísto elektroniky.

Studie byla publikována v časopise Matter.