受米粒啟發,科學家創造出能自動適應壓力的超材料,有望應用于軟體機器人和智能防護裝備。
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大米可能很快將不僅僅是一種主食。研究人員發現,緊密堆積的米粒在被壓縮時,其強度會根據壓縮速度的快慢而變化。這種特性正被用于設計新型超材料——一種工程復合材料,其性能表現是天然材料無法實現的。
當米粒被緩慢壓縮時,它能保持強度;而當被快速壓縮時,其強度則會減弱。這種現象被稱為"速率軟化"。
產生這種效應的原因是,在快速加載下,米粒間的摩擦力急劇下降,從而削弱了通常支撐材料的內部力網絡。
科學家們從這種不尋常的行為中看到了機遇。通過將大米與在快速載荷下強度會增加的材料(如沙子)相結合,他們創造出了一種復合材料,這種材料會根據受力方式的不同而做出不同響應。
這種材料可以在沒有電子設備、傳感器或主動控制的情況下彎曲、屈曲或變硬。
英國伯明翰大學的劉明超博士表示:"大米在全球通常被視為主食,很少會與先進工程學聯系在一起。我們的研究表明,它可以構成一類新型功能材料的基礎。"
顆粒物理學的應用
該團隊并非通過電子設備來控制材料,而是讓物理學原理發揮作用。
"我們不是指令結構如何響應,而是讓物理學原理來決定:快速加載觸發一種行為,慢速加載觸發另一種行為,"劉博士說道。這種方法使工程師能夠構建出能自動對應力和速度做出反應的系統。
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這種對速度敏感的超材料在軟體機器人領域具有直接的應用前景。用這些材料制成的機器人可能比傳統的金屬機器人更輕、更安全、適應性更強。
它們可以協助人類、在惡劣環境中導航,或執行如手術等精密任務。
該研究還指向了能適應沖擊速度的可穿戴防護設備。頭盔、護墊或其他裝置可以在突然沖擊下安全變形,或在快速撞擊時吸收能量以防止受傷。
日常材料的新用途
這項研究更深層的意義在于,普通的顆粒物質可以通過其固有的力學特性轉變為智能系統。
通過研究大米對不同加載速度的異常響應,工程師們現在有了設計藍圖,可以制造出無需額外硬件就能自主調節剛度和靈活性的材料。
這一發現可能催生新一代自適應的、由物理學原理驅動的機器和防護設備。利用像大米這樣簡單的材料,設計師就能創造出能自然感知和響應外力的結構,這種結構依賴的是其自身的力學行為,而非電子設備。
該研究發表在《Matter》期刊上。
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