Uusi tutkimus osoittaa, että riisillä on harvinainen mekaaninen ominaisuus, jonka avulla voidaan kehittää täysin uudenlaisia materiaaleja. Löydös mahdollistaa sellaisten rakenteiden suunnittelun, jotka käyttäytyvät tavoilla, joihin luonnonmateriaalit eivät kykene.
Tutkimuksen mukaan riisi heikkenee, kun sitä puristetaan nopeasti, mutta säilyttää lujuutensa hitaassa kuormituksessa. Tämän ilmiön ansiosta tutkijat pystyivät kehittämään uuden materiaalin, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi ”pehmeissä” roboteissa, jotka muuttavat jäykkyyttään automaattisesti, sekä suojavarusteissa, jotka mukautuvat iskun nopeuteen.
Tutkijat hyödynsivät ilmiötä suunnittelemalla uudenlaisen metamateriaalin – keinotekoisesti rakennetun yhdistelmärakenteen, joka käyttäytyy tavalla, johon luonnonmateriaalit eivät pysty.
Tulokset julkaistiin "Matter"-tiedelehdessä. Kansainvälistä tutkimusryhmää johti University of Birmingham. Tutkimuksessa havaittiin, että pakattujen riisinjyvien mekaaninen vaste muuttuu merkittävästi kuormitusnopeuden mukaan.
Nopeassa kuormituksessa tapahtuva heikkeneminen, niin sanottu ”rate softening”, on useimmissa materiaaleissa harvinaista. Ilmiö johtuu siitä, että jyvien välinen kitka vähenee voimakkaasti suurilla nopeuksilla, mikä heikentää kuormaa kantavia sisäisiä voimarakenneverkostoja.
Tutkijat yhdistivät riisipohjaisia rakeisia yksiköitä esimerkiksi hiekkaan, joka puolestaan vahvistuu nopeassa kuormituksessa. Näin syntyi rakeinen materiaali, joka voi taipua, lommahtaa tai jäykistyä eri tavoin hitaissa liikkeissä ja äkillisissä iskuissa – ilman elektroniikkaa, antureita tai aktiivista ohjausta.
Tutkimukseen osallistunut tohtori Mingchao Liu Birminghamin yliopistosta toteaa:
”Riisi tunnetaan parhaiten peruselintarvikkeena, mutta harvemmin sitä liitetään huipputeknologiaan. Tutkimuksemme osoittaa, että siitä voidaan kehittää uudenlaisten toiminnallisten materiaalien perusta.”
Liu korostaa, että ilmiötä ei nähty pelkkänä kuriositeettina, vaan suunnitteluperiaatteena. Sen avulla kehitetty materiaali reagoi eri tavoin hitaaseen kuormitukseen ja äkillisiin iskuihin – ilman elektroniikkaa tai ulkoista ohjausta. Rakenteelle ei siis ”kerrota”, miten sen tulee käyttäytyä, vaan fysiikka määrittää vasteen: nopea kuormitus tuottaa yhdenlaisen käyttäytymisen, hidas toisenlaisen.
Laajemmin tarkasteltuna tutkimus osoittaa, miten arkipäiväisistä rakeisista materiaaleista voidaan kehittää älykkäästi reagoivia teknisiä järjestelmiä niiden sisäisten mekaanisten ominaisuuksien avulla.
Nopeusherkät metamateriaalit voivat mahdollistaa uusia ratkaisuja pehmeässä robotiikassa. Tällaiset koneet voisivat olla kevyempiä, turvallisempia ja mukautuvampia kuin perinteiset metallirobotit, mikä tekee niistä sopivia esimerkiksi ihmisten kanssa työskentelyyn, vaativiin ympäristöihin ja tarkkuutta vaativiin tehtäviin, kuten kirurgian avustamiseen.
Koska materiaali toimii ilman elektroniikkaa, virtalähdettä tai antureita, sitä voidaan hyödyntää myös suojavarusteissa, jotka mukautuvat välittömästi iskun nopeuteen: ne voivat vaimentaa energiaa tai muotoutua turvallisesti suojaten käyttäjää vammoilta.
