Ученые превратили рис в умный материал для роботов и защиты

Странное свойство риса помогло ученым создать умный материал, который самостоятельно меняет свое поведение в зависимости от скорости удара. Credit: Shutterstock

Рис известен как один из важнейших продуктов питания в мире, но ученые показали, что он также может вдохновить на создание нового поколения умных материалов.

Исследователи обнаружили, что спрессованные зерна риса ведут себя необычно под давлением. При медленном сжатии зерна остаются относительно прочными. Но при быстром сжатии они, наоборот, становятся слабее. Это удивительное поведение позволило ученым создать новый материал, который в будущем может использоваться в мягких роботах, автоматически регулирующих свою жесткость, и в защитном снаряжении, реагирующем по-разному в зависимости от силы удара.

Международная исследовательская группа под руководством Бирмингемского университета опубликовала свои выводы в журнале Matter.

Эксперименты показали, что плотно упакованные зерна риса реагируют совершенно по-разному в зависимости от скорости приложения нагрузки. При более высоких скоростях нагружения материал значительно ослабевает.

Это явление, известное как «размягчение при скорости», встречается у большинства материалов редко. Исследователи обнаружили, что это происходит из-за резкого падения трения между отдельными зернами риса при быстром приложении силы. В результате внутренние сети сил, которые обычно помогают выдерживать нагрузку, ослабевают.

Команда использовала это необычное свойство для разработки нового метаматериала — искусственной композитной структуры, созданной для демонстрации поведения, не встречающегося в природных материалах.

Чтобы создать новый материал, исследователи объединили гранулированные блоки на основе риса с такими материалами, как песок, которые становятся прочнее при быстром нагружении. В результате получился гранулированный метаматериал, способный по-разному реагировать на медленные движения и внезапные удары.

В зависимости от ситуации материал может изгибаться, складываться или становиться жестче различными способами — и все это без электроники, датчиков или систем активного управления.

Доктор Минчао Лю из Бирмингемского университета сказал: «Рис, возможно, наиболее известен как основной продукт питания во всем мире, но его редко связывают с передовой инженерией. Наше исследование показывает, что он может стать основой для нового класса функциональных материалов.

«Вместо того чтобы рассматривать это явление как курьез, мы превратили его в принцип проектирования. Этот подход позволил нам создать материал, который может по-разному изгибаться, складываться или становиться жестче при медленных движениях по сравнению с внезапными ударами — без электроники, датчиков или активного управления. Вместо того чтобы указывать структуре, как реагировать, мы позволили физике решать: быстрые нагрузки запускают одно поведение, медленные — другое».

Исследователи отмечают, что работа демонстрирует, как обычные сыпучие материалы могут быть преобразованы в инженерные системы, которые разумно реагируют благодаря своим собственным механическим свойствам.

Чувствительный к скорости метаматериал может открыть новые возможности в мягкой робототехнике. В отличие от традиционных металлических роботов, будущие системы, построенные из этих материалов, могут быть более легкими, безопасными и адаптируемыми.

Такие роботы могут быть особенно полезны для работы рядом с людьми, в сложных условиях и при выполнении деликатных задач, включая помощь в хирургии.

Материал также может найти применение в защитном снаряжении. Поскольку он может по-разному реагировать в зависимости от скорости удара, он может поглощать энергию или деформироваться контролируемым образом при столкновении, помогая снизить риск травм.

Важно, что эти реакции происходят без необходимости в электронике, внешнем питании или датчиках, позволяя самому материалу автоматически адаптироваться к изменяющимся условиям.

Источники:

Материалы предоставлены Бирмингемским университетом.

Mingchao Liu, Weining Mao, Yiqiu Zhao, Qin Xu, Yixiang Gan, Yifan Wang, K. Jimmy Hsia. Rate dependence in granular matter with application to tunable metamaterials. Matter, 2026; 9 (3): 102562 DOI: 10.1016/j.matt.2025.102562