從谷物到齒輪：大米賦能自適應機器人與抗沖擊設備

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。

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。

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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