Heb je ooit maïzena en water gemengd om "oobleck" te maken? Wanneer je het mengsel stevig in je vuist knijpt, maakt het een harde bal. Maar wanneer u uw greep ontspant, druppelt het als een vloeistof. Het is een veelgebruikt voorbeeld van een 'afschuifverdikkingsvloeistof', een materiaal waarvan de viscositeit onder stress toeneemt.
Sommige wetenschappers denken dat shear verdikkende vloeistoffen het volgende grote ding kunnen zijn als het gaat om letselpreventie en revalidatie. Materialen op basis van deze vloeistoffen kunnen helpen bij het voorkomen van hersenschudding, nekletsels en verwrongen enkels; om te dienen als beschermend kogelvrij vest in militaire omgevingen; en om nieuwe revalidatieapparatuur te creëren.
In het US Army Research Laboratory (ARL) in Aberdeen, Maryland, heeft Eric Wetzel de afgelopen 15 jaar shear verdikkingsvloeistoffen bestudeerd en heeft hij patenten op verschillende technieken en producten. Aanvankelijk was hij Kevlar aan het doordrenken met afschuifverdikkende vloeistoffen om dunnere, flexibelere kogelvrije vesten te maken. Nu is hij erachter gekomen hoe de vloeistoffen in een flexibele riem moeten worden ingekapseld. Trek voorzichtig aan de riem en deze zet uit als elastiek. Trek er snel aan en het wordt stijver en vergrendelt. Deze technologie, die Wetzel "RAT-bandjes" noemt (voor "door snelheid geactiveerde banden"), kan nuttig zijn op een aantal gebieden, van het leger tot professionele atletiek thuis.
"Wat deze riemen je de mogelijkheid geven om te doen, is menselijke beweging op normale snelheden toestaan, maar wanneer er iets echt gewelddadigs gebeurt, schoppen ze in en bieden weerstand, " zegt Wetzel.
De afgelopen jaren werkte Wetzel samen met de NFL om een systeem van RAT-riemen te ontwikkelen om helmen op hun plaats te houden en hoofdletsel te voorkomen. Hij en zijn team hebben een platform in het laboratorium gebouwd dat lijkt op de omstandigheden van een NFL-speelveld, en hebben een crash-testpop met een helm onderworpen aan herhaalde tackle-simulaties. Bij het dragen van de helm die aan zijn lichaam was bevestigd met banden die langs de nek naar de bovenrug liepen, werd de piekversnelling van het hoofd van de dummy met 50 procent verminderd. Dat kan het verschil zijn tussen een kleine schok en een ernstige hersenschudding.
Wetzel verwacht in de komende twee maanden werkende prototypes van de aangebonden helmen klaar te hebben, waarna hij en zijn team beginnen met het testen van gebruikers, in eerste instantie gewoon mensen de helmen laten dragen om te melden hoe ze zich voelen, later overgaan op de daadwerkelijke aanpak. Als tests succesvol zijn, zullen de eerste gebruikers waarschijnlijk atleten op de middelbare school zijn in plaats van profs.
"NFL-spelers zullen niets dragen dat snelheid of behendigheid zelfs maar een beetje belemmert, " zegt Wetzel. "Ze zullen geen early adopters zijn."
Sokachtige enkelbrace met afschuifverdikkingsvloeistof (GoXStudio) Kledingstukken en beugels met verdikking die vocht verdikken, kunnen ook andere delen van het lichaam beschermen, zoals de enkel of knie. Dit is vooral belangrijk voor soldaten.
“Als je kijkt naar de belangrijkste oorzaken van verloren tijd voor soldaten, is het meestal niet dat ze werden neergeschoten; het meest voorkomende is eigenlijk dat iemand een knie heeft gedraaid, zijn rug heeft uitgeworpen, zijn nek heeft verwond, 'zegt Wetzel. "Het is niet verwonderlijk, want ze dragen 100 pond op hun rug, rennen over ruw terrein, soms 's nachts."
Ongeveer vijf jaar geleden ontmoette Wetzel onderzoekers van het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), die geïnteresseerd waren in technologieën om dit soort musculoskeletale letsels te verminderen. Parachutisten lopen een bijzonder hoog risico op enkelblessures, omdat ze met hoge snelheden de grond raken. Het DARPA-team had gewerkt aan een stijve enkelbrace om de impact op te vangen. Het werkte, maar de parachutisten konden er niet in rennen.
Dus ontwikkelde Wetzel een prototype van een beugel met behulp van afschuifverdikkingsvloeistof ingekapseld in stof. Dit was de originele RAT-bandtechnologie. Nu heeft een van de DARPA-onderzoekers waarmee Wetzel een ontmoeting heeft gehad, luitenant-kolonel Joe Hitt, het leger verlaten en een bedrijf opgericht dat steunen maakt op basis van het werk van Wetzel.
Een van de belangrijkste oorzaken van enkelverstuikingen is de vertraagde reactietijd die gepaard gaat met vermoeidheid of verrassing.
"Je enkel begint te draaien en je beseft het niet snel genoeg, " zegt Wetzel. "Een enkelbrace moet echt alleen die rotatie vertragen om je hersenen de tijd te geven om bij te praten."
Een enkelbrace op basis van verdikkingsvloeistof kan als een neopreen sok met het lichaam meebewegen. Maar wanneer de enkel gewelddadig begint te draaien, verstijft de vloeistof.
In Tennessee verandert bedrijfseigenaar en veteraan Russ Hubbard de RAT-banden van Wetzel in apparaten voor fysieke revalidatie. Lange elastiekjes worden vaak gebruikt voor uitrekken en weerstand bij fysiotherapie. Hubbard maakt banden gevuld met afschuifverdikkingsvloeistof. Hoe harder je ze trekt, hoe strakker ze worden. En wanneer je loslaat, is er geen rebound. Dit betekent dat het veilig is voor patiënten om de banden zo hard mogelijk te trekken zonder bang te zijn om in het gezicht te worden geraakt als ze het ene uiteinde laten vallen.
Vastbinden voor de revalidatiebands (Jhi Scott, ARL Fotograaf) "Met deze technologie heb je altijd de mogelijkheid om te pushen naar wat je maximale potentieel op dat moment is", zegt Hubbard. "Je beperkt niet wat de patiënt kan doen, en hopelijk vertaalt dit zich in een snellere hersteltijd."
Hubbard werkt samen met onderzoekers van de Universiteit van Montana aan een onderzoek naar de bands. Als het lukt, hoopt hij ze volgend jaar op de markt te hebben.
Wetzel stelt zich voor dat zijn kettingtechnologie onderweg wordt gebruikt als een soort tussenweg tussen kleding en een exoskelet. Kledingstukken gemaakt van met vloeistof gevulde banden kunnen verschillende lichaamsdelen ondersteunen, zacht blijven wanneer de drager stilstaat of langzaam beweegt, en stevig en ondersteunend worden met plotselinge bewegingen, zoals het instorten van een trickknie.
Interesse in shear verdikkingsvloeistoffen is "zeker iets dat de afgelopen vijf jaar veel is gegroeid in de onderzoeksgemeenschap", zegt Eric Brown, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Yale.
Wetenschappers onderzoeken al meer dan 80 jaar shear verdikkende vloeistoffen, zegt Brown, maar ze beginnen pas echt te begrijpen hoe en waarom ze werken zoals ze doen.
"We mengen alleen water en maïzena - ze lijken op zichzelf eenvoudige dingen, " zegt Brown. "Het idee dat we niet veel begrijpen over hoe dat werkt, is soms vervelend voor mensen."
Onderzoek naar impactbescherming met behulp van afschuifverdikkingsvloeistoffen is "veelbelovend", zegt Brown. Hij denkt dat we de komende jaren waarschijnlijk een aantal producten op de markt zullen zien, zoals flitsende verdikte vloeistofversterkte fietshelmen. D30, een afschuifverdikkingsvloeistof gemaakt van polymeren gesuspendeerd in een vloeibaar smeermiddel, wordt al gebruikt in artikelen van snowboarduitrusting tot hoesjes voor mobiele telefoons.
Voor degenen onder ons die graag de magie van shear verdikkende vloeistof thuis willen verkennen, wees gewaarschuwd: als u overweegt om een kinderbad met oobleck te vullen om te "lopen op water" zoals de YouTubers, is het moeilijker dan het lijkt. Brown weet het - hij heeft het een paar keer gedaan, gewoon voor de lol.
"Het moeilijkste deel is dat je de dingen moet mixen, " zegt hij. "We moesten een cementmixer van Home Depot huren."
