Il riso è noto soprattutto come una delle colture alimentari più importanti al mondo, ma gli scienziati hanno ora dimostrato che potrebbe anche ispirare una nuova generazione di materiali intelligenti.
I ricercatori hanno scoperto che i chicchi di riso compattati si comportano in modo insolito sotto pressione. Se compressi lentamente, i chicchi rimangono relativamente resistenti. Ma se compressi rapidamente, si indeboliscono. Questo comportamento sorprendente ha permesso agli scienziati di creare un nuovo materiale che un giorno potrebbe essere utilizzato in robot morbidi in grado di regolare automaticamente la propria rigidità e in dispositivi di protezione che reagiscono in modo diverso a seconda della forza dell’impatto.
Il team di ricerca internazionale, guidato dall’Università di Birmingham, ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Matter .
La reazione insolita del Riso alla pressione
Gli esperimenti hanno dimostrato che i chicchi di riso, se compattati, reagiscono in modo molto diverso a seconda della velocità con cui viene applicato il carico. A velocità di carico più elevate, il materiale si indebolisce significativamente.
Questo fenomeno, noto come “ammorbidimento da deformazione plastica”, è raro nella maggior parte dei materiali. I ricercatori hanno scoperto che si verifica perché l’attrito tra i singoli chicchi di riso diminuisce drasticamente quando vengono applicate forze rapidamente. Di conseguenza, le reti interne di forze che normalmente contribuiscono a sostenere il carico si indeboliscono.
Il team ha sfruttato questa proprietà insolita per sviluppare un nuovo metamateriale, una struttura composita ingegnerizzata progettata per esibire comportamenti non riscontrabili nei materiali presenti in natura.
Creazione di un metamateriale auto-adattivo
Per realizzare il nuovo materiale, i ricercatori hanno combinato unità granulari a base di riso con materiali come la sabbia, che diventano più resistenti se sottoposti a carichi rapidi. Il risultato è stato un metamateriale granulare in grado di reagire in modo diverso a movimenti lenti e impatti improvvisi.
A seconda della situazione, il materiale può piegarsi, incurvarsi o irrigidirsi in modi diversi, il tutto senza l’ausilio di componenti elettronici, sensori o sistemi di controllo attivi.
Il dottor Mingchao Liu, dell’Università di Birmingham, ha dichiarato: “Il riso è forse più noto a livello globale come alimento base, ma raramente viene associato all’ingegneria avanzata. La nostra ricerca dimostra che può costituire la base di una nuova classe di materiali funzionali.”
“Anziché considerare questo fenomeno una semplice curiosità, lo abbiamo trasformato in un principio di progettazione. Questo approccio ci ha permesso di creare un materiale in grado di piegarsi, deformarsi o irrigidirsi in modo diverso a seguito di movimenti lenti o impatti improvvisi, senza l’ausilio di elettronica, sensori o controlli attivi. Invece di imporre a una struttura come reagire, abbiamo lasciato che fosse la fisica a decidere: carichi rapidi innescano un comportamento, carichi lenti un altro.”
Secondo i ricercatori, il lavoro evidenzia come i comuni materiali granulari possano essere trasformati in sistemi ingegnerizzati che rispondono in modo intelligente attraverso le proprie proprietà meccaniche.
Possibili applicazioni nella robotica e nei dispositivi di sicurezza.
Il metamateriale sensibile alla velocità potrebbe aprire nuove possibilità nella robotica morbida. A differenza dei robot metallici tradizionali, i futuri sistemi realizzati con questi materiali potrebbero essere più leggeri, più sicuri e più adattabili.
Questi robot potrebbero rivelarsi particolarmente utili per lavorare a fianco delle persone, operare in ambienti difficili ed eseguire compiti delicati, tra cui assistere in interventi chirurgici.
Il materiale potrebbe trovare applicazione anche nei dispositivi di protezione. Grazie alla sua capacità di reagire in modo diverso a seconda della velocità dell’impatto, potrebbe assorbire energia o deformarsi in modo controllato durante una collisione, contribuendo a ridurre il rischio di lesioni.
È importante sottolineare che queste risposte avvengono senza bisogno di componenti elettronici, alimentazione esterna o sensori, consentendo al materiale stesso di adattarsi automaticamente alle condizioni mutevoli.
Progresso e potenziale
Nonostante la sua importanza, la dipendenza dalla velocità dei materiali granulari non è stata finora integrata in modo mirato nelle applicazioni. In questo studio, riveliamo un marcato rammollimento dovuto alla velocità di deformazione, causato dall’indebolimento per attrito nei comuni chicchi di riso, e utilizziamo esperimenti e simulazioni per studiare come questa dipendenza dalla velocità possa essere modulata. Successivamente, realizziamo un metamateriale granulare responsivo alla velocità di deformazione, in grado di modificare la propria funzione meccanica in base alla velocità di carico. Questa esplorazione degli effetti della velocità di deformazione nei materiali granulari – e la loro trasposizione in un concetto di dispositivo – apre una nuova strada, andando oltre il paradigma prevalente dei metamateriali costruiti esclusivamente con materiali solidi. Sebbene la nostra dimostrazione di fattibilità utilizzi granuli naturali, materiali producibili con attrito fortemente dipendente dalla velocità di deformazione (ad esempio, particelle simil-gomma o rivestimenti ingegnerizzati) possono consentire la realizzazione di metamateriali granulari più controllabili e scalabili, potenzialmente in grado di offrire combinazioni uniche di adattabilità, protezione e gestione energetica.Riepilogo
La materia granulare compressa presenta diversi comportamenti dipendenti dalla velocità di carico che ne governano la risposta meccanica. Esaminiamo assemblaggi compressi sotto pressione di confinamento e identifichiamo comportamenti di rinforzo, indipendenti e indeboliti dalla velocità di carico. In particolare, scopriamo un pronunciato effetto di indebolimento dipendente dalla velocità di carico nelle particelle di riso, dove l’aumento della velocità di carico riduce significativamente la tensione di snervamento a causa di un brusco calo dell’attrito superficiale, indebolendo la rete di catene di forze granulari. Attraverso esperimenti e simulazioni sistematiche, riveliamo che questo comportamento è regolabile modificando l’attrito superficiale o la pressione di confinamento, aprendo nuove possibilità di progettazione. Per dimostrarne il significato funzionale, sviluppiamo un metamateriale a doppia trave che cambia la direzione di instabilità con la velocità di carico; estendendo il design a una doppia unità si ottiene una risposta programmabile: rinforzo del contatto a basse velocità, separazione ad alte velocità, amplificando la dipendenza dalla velocità. Questi risultati stabiliscono un nuovo paradigma per i metamateriali regolabili, sfruttando la dipendenza dalla velocità di carico della materia granulare per creare sistemi meccanici adattivi e programmabili con potenziali applicazioni nella robotica morbida, nell’assorbimento di energia e nella protezione indossabile.Abstract grafico
Materiale fornito dall’Università di Birmingham . Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
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
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