Czy kiedykolwiek zmieszałeś ze sobą skrobię kukurydzianą i wodę, aby uzyskać „oobleck”? Gdy mocno ścisniesz miksturę w pięść, tworzy się twarda kula. Ale kiedy rozluźnisz uchwyt, kapie jak płyn. Jest to powszechny przykład „płynu zagęszczającego ścinanie”, materiału, którego lepkość wzrasta pod wpływem naprężeń.
Niektórzy naukowcy uważają, że płyny zagęszczające ścinanie mogą być kolejną wielką rzeczą, jeśli chodzi o zapobieganie urazom i rehabilitację. Materiały na bazie tych płynów mogą pomóc w zapobieganiu wstrząsom, urazom szyi i skręconym kostkom; służyć jako zbroja ochronna w warunkach wojskowych; i stworzyć nowe urządzenia rehabilitacyjne.
W US Army Research Laboratory (ARL) w Aberdeen, Maryland, Eric Wetzel przez ostatnie 15 lat badał płyny zagęszczające przy ścinaniu i posiada patenty na kilka technik i produktów. Początkowo impregnował Kevlar płynami zagęszczającymi ścinanie, aby stworzyć cieńszy, bardziej elastyczny pancerz. Teraz wymyślił, jak zamknąć płyny w elastycznym pasku. Delikatnie pociągnij pasek, aby rozszerzał się jak elastyczny. Pociągnij go szybko, a on usztywnia się i blokuje. Ta technologia, którą Wetzel nazywa „paskami RAT” (dla „uwięzi aktywowanych stawką”), może być przydatna w wielu obszarach, od wojska przez zawodową lekkoatletykę po dom.
„To, co dają ci te pasy, umożliwia ruch człowieka z normalną prędkością, ale gdy dzieje się coś naprawdę gwałtownego, kopią i zapewniają opór”, mówi Wetzel.
Od kilku lat Wetzel współpracuje z NFL nad opracowaniem systemu pasków RAT, które utrzymają hełmy na miejscu i zapobiegną urazom głowy. On i jego zespół zbudowali w laboratorium platformę przypominającą warunki na boisku NFL i poddawali manekina do testów zderzeniowych w hełmie powtarzanym symulacjom sprzętu. Podczas noszenia kasku przymocowanego do jego ciała, z pętelkami biegnącymi od szyi do górnej części pleców, szczytowe przyspieszenie głowy manekina zostało zmniejszone o 50 procent. To może być różnica między niewielkim uderzeniem a poważnym wstrząsem mózgu.
Wetzel spodziewa się, że w ciągu najbliższych dwóch miesięcy będą gotowe działające prototypy hełmów na uwięzi. W tym momencie on i jego zespół rozpoczną testy użytkowników, początkowo zmuszając ludzi do noszenia kasków, aby zgłosić ich samopoczucie, a następnie przejść do rzeczywistego rozwiązania. Jeśli testy zakończą się powodzeniem, najwcześniejszymi użytkownikami będą prawdopodobnie zawodnicy ze szkół średnich, a nie zawodowcy.
„Gracze NFL nie będą nosić niczego, co nawet trochę utrudnia szybkość lub zwinność”, mówi Wetzel. „Nie będą pierwszymi adoptatorami”.
Skarpety przypominające skarpety za pomocą płynu zagęszczającego ścinanie (GoXStudio) Ubranie i szelki zawierające płyn zagęszczający ścinanie mogą chronić także inne części ciała, takie jak kostka lub kolano. Jest to szczególnie ważne dla żołnierzy.
„Jeśli spojrzysz na główne przyczyny straconego czasu dla żołnierzy, zazwyczaj nie jest tak, że zostali zastrzeleni; najczęstszą rzeczą jest to, że ktoś skręcił kolano, wyrzucił plecy, zranił szyję - mówi Wetzel. „Nic dziwnego, ponieważ mają na plecach 100 funtów i biegają po trudnym terenie, czasem w nocy.”
Około pięć lat temu Wetzel spotkał się z naukowcami z Agencji Obrony Zaawansowanych Projektów Badawczych (DARPA), którzy byli zainteresowani technologiami zmniejszającymi tego rodzaju urazy mięśniowo-szkieletowe. Spadochroniarze są szczególnie narażeni na urazy kostki, ponieważ uderzają w ziemię z dużą prędkością. Zespół DARPA pracował nad sztywną ortezą stawu skokowego, aby wytrzymać uderzenie. Działało, ale spadochroniarze nie mogli w nim biec.
Dlatego firma Wetzel opracowała prototyp aparatu ortodontycznego z wykorzystaniem płynu zagęszczającego ścinanie zamkniętego w tkaninie. To była oryginalna technologia paska RAT. Teraz jeden z badaczy DARPA, z którym spotkał się Wetzel, podpułkownik Joe Hitt, opuścił wojsko i założył firmę produkującą aparaty ortodontyczne na podstawie pracy Wetzela.
Jedną z głównych przyczyn zwichnięć stawu skokowego jest spowolniony czas reakcji, który towarzyszy zmęczeniu lub zaskoczeniu.
„Twoja kostka zaczyna się obracać i nie zdajesz sobie z tego sprawy, ” mówi Wetzel. „Orteza stawu skokowego musi po prostu spowolnić ten obrót, aby dać mózgowi czas na nadrobienie zaległości”.
Orteza stawu skokowego oparta na płynie zagęszczającym ścinanie może poruszać się wraz z ciałem jak skarpeta neoprenowa. Ale gdy kostka zaczyna się gwałtownie obracać, płyn sztywnieje.
W Tennessee właściciel firmy i weteran wojskowy Russ Hubbard przekształca paski RAT Wetzela w urządzenia do rehabilitacji fizycznej. Długie gumki są powszechnie stosowane do rozciągania i odporności w fizjoterapii. Hubbard wytwarza opaski wypełnione płynem zagęszczającym ścinanie. Im mocniej je ciągniesz, tym mocniej się przydają. A kiedy puścisz, nie będzie odbicia. Oznacza to, że pacjenci mogą bezpiecznie pociągać opaski tak mocno, jak to możliwe, bez obawy, że zostaną uderzeni w twarz, jeśli upuszczą jeden koniec.
Wykonywanie pasów dla zespołów rehabilitacyjnych (Jhi Scott, fotograf ARL) „Dzięki tej technologii zawsze masz możliwość wykorzystania swojego maksymalnego potencjału w tym momencie”, mówi Hubbard. „Nie ograniczasz możliwości pacjenta i mam nadzieję, że przełoży się to na szybszy powrót do zdrowia.”
Hubbard współpracuje z badaczami z University of Montana nad badaniem zespołów. Jeśli się powiedzie, ma nadzieję, że pojawi się na rynku w przyszłym roku.
Wetzel wyobraża sobie, że jego technologia uwięzi jest wykorzystywana na drodze jako coś w połowie drogi między odzieżą a egzoszkieletem. Ubrania wykonane z wypełnionych płynem uwięzi mogą podtrzymywać różne części ciała, pozostając miękkie, gdy użytkownik jest nieruchomy lub porusza się powoli, i stają się jędrne i wspierające przy nagłym ruchu, takim jak upadek podstępnego kolana.
Zainteresowanie płynami zagęszczającymi ścinanie jest „zdecydowanie czymś, co bardzo wzrosło w środowisku naukowym w ciągu ostatnich pięciu lat” - mówi Eric Brown, profesor inżynierii mechanicznej i inżynierii materiałowej w Yale.
Brown twierdzi, że naukowcy badają płyny zagęszczające ścinanie od ponad 80 lat, ale dopiero zaczynają rozumieć, w jaki sposób i dlaczego działają w ten sposób.
„Po prostu mieszamy wodę i skrobię kukurydzianą - same wydają się prostymi rzeczami” - mówi Brown. „Pomysł, że nie rozumiemy wiele na temat tego, jak to działa, czasami zaskakuje ludzi”.
Badania nad ochroną przed uderzeniami za pomocą płynów zagęszczających przy ścinaniu są „naprawdę obiecujące”, mówi Brown. Uważa, że prawdopodobnie w najbliższych latach pojawi się na rynku szereg produktów, takich jak kaski rowerowe z płynem zagęszczającym pod wpływem ścinania. D30, płyn zagęszczający ścinanie wykonany z polimerów zawieszonych w ciekłym smarze, jest już stosowany w przedmiotach od sprzętu snowboardowego po etui na telefony komórkowe.
Ostrzegamy tych z nas, którzy chcą odkryć magię płynu zagęszczającego ścinanie w domu: jeśli myślisz o wypełnieniu dziecięcego basenu oobleckem, aby „chodzić po wodzie” jak YouTubery, jest to trudniejsze niż się wydaje. Brown wie - zrobił to kilka razy, dla zabawy.
„Najtrudniejsze jest to, że musisz mieszać różne rzeczy” - mówi. „Musieliśmy wynająć betoniarka w Home Depot”.
