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.

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.