Haben Sie jemals Maisstärke und Wasser gemischt, um „Oobleck“ zu machen? Wenn Sie die Mischung fest in Ihrer Faust drücken, wird ein harter Ball daraus. Aber wenn Sie Ihren Griff entspannen, tropft es wie eine Flüssigkeit. Es ist ein bekanntes Beispiel für eine „Scherverdickungsflüssigkeit“, ein Material, dessen Viskosität unter Belastung zunimmt.
Einige Wissenschaftler glauben, dass scherverdickende Flüssigkeiten die nächste große Sache sein könnten, wenn es um die Prävention und Rehabilitation von Verletzungen geht. Materialien, die auf diesen Flüssigkeiten basieren, können dazu beitragen, Gehirnerschütterungen, Nackenverletzungen und Knöchelverdrehungen vorzubeugen. als schützender Körperschutz in militärischen Umgebungen zu dienen; und neue Rehabilitationsgeräte zu schaffen.
Eric Wetzel studiert am US Army Research Laboratory (ARL) in Aberdeen, Maryland, seit 15 Jahren Scherverdickungsflüssigkeiten und hält Patente für verschiedene Techniken und Produkte. Anfänglich imprägnierte er Kevlar mit scherverdickenden Flüssigkeiten, um dünnere, flexiblere Körperschutzpanzerungen zu erhalten. Jetzt hat er herausgefunden, wie man die Flüssigkeiten in ein flexibles Band einhüllt. Ziehen Sie vorsichtig am Gurt und er dehnt sich wie ein Gummiband aus. Ziehen Sie schnell daran und es versteift sich und rastet ein. Diese Technologie, die Wetzel als "RAT-Gurte" (Rate-Activated Tethers) bezeichnet, könnte in einer Reihe von Bereichen von Militär über Profisport bis hin zur Heimathletik von Nutzen sein.
"Diese Gurte ermöglichen es Ihnen, Bewegungen des Menschen mit regelmäßigen Geschwindigkeiten zuzulassen. Wenn jedoch etwas wirklich Gewalttätiges passiert, treten sie ein und leisten Widerstand", sagt Wetzel.
In den letzten Jahren hat Wetzel gemeinsam mit der NFL ein System von RAT-Bändern entwickelt, um Helme an Ort und Stelle zu halten und Kopfverletzungen vorzubeugen. Er und sein Team haben im Labor eine Plattform gebaut, die den Bedingungen eines NFL-Spielfelds ähnelt, und einen Crashtest-Dummy, der einen Helm trägt, wiederholten Angriffssimulationen unterzogen. Beim Tragen des am Körper befestigten Helms mit Bändern, die über den Nacken bis zum oberen Rücken laufen, wurde die maximale Beschleunigung des Kopfes des Dummys um 50 Prozent verringert. Das könnte der Unterschied zwischen einer kleinen Beule und einer schweren Gehirnerschütterung sein.
Wetzel erwartet, dass in den nächsten zwei Monaten funktionierende Prototypen der angebundenen Helme fertig sein werden. Zu diesem Zeitpunkt werden er und sein Team mit den Benutzertests beginnen. Zunächst müssen die Leute einfach die Helme tragen, um zu berichten, wie sie sich fühlen, und später zum eigentlichen Anpacken übergehen. Wenn die Tests erfolgreich sind, sind die ersten Benutzer wahrscheinlich eher Hochschulsportler als Profis.
"NFL-Spieler tragen nichts, was die Geschwindigkeit oder Beweglichkeit ein wenig beeinträchtigt", sagt Wetzel. "Sie werden keine Early Adopters sein."
Sockenartige Knöchelorthese mit Scherverdickungsflüssigkeit (GoXStudio) Kleidungsstücke und Hosenträger, die scherverdickende Flüssigkeiten enthalten, können auch andere Körperteile wie den Knöchel oder das Knie schützen. Dies ist besonders wichtig für Soldaten.
„Wenn man sich die Hauptursachen für verlorene Zeit für Soldaten ansieht, ist es normalerweise nicht so, dass sie erschossen wurden. Das häufigste ist, dass jemand ein Knie verdreht, den Rücken rausgeschmissen und den Nacken verletzt hat “, sagt Wetzel. "Es ist nicht überraschend, weil sie 100 Pfund auf dem Rücken tragen und manchmal nachts über unwegsames Gelände laufen."
Vor etwa fünf Jahren traf Wetzel mit Forschern der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) zusammen, die sich für Technologien zur Reduzierung dieser Art von Verletzungen des Bewegungsapparates interessierten. Fallschirmjäger sind einem besonders hohen Risiko von Knöchelverletzungen ausgesetzt, da sie mit hoher Geschwindigkeit auf den Boden treffen. Das DARPA-Team hatte an einer starren Knöchelschale gearbeitet, um den Aufprall abzufangen. Es hat funktioniert, aber die Fallschirmjäger konnten nicht rennen.
So entwickelte Wetzel einen Prototyp einer Zahnspange mit einer in Stoff eingeschlossenen Scherverdickungsflüssigkeit. Dies war die ursprüngliche RAT-Gurttechnologie. Nun hat sich einer der DARPA-Forscher, mit denen Wetzel zusammengetroffen ist, Oberstleutnant Joe Hitt, aus der Armee verabschiedet und eine Firma gegründet, die sich auf Wetzels Arbeit stützt.
Eine der Hauptursachen für Knöchelverstauchungen ist die verlangsamte Reaktionszeit, die mit Müdigkeit oder Überraschung einhergeht.
"Ihr Knöchel beginnt sich zu drehen und Sie merken es nicht früh genug", sagt Wetzel. "Eine Knöchelorthese muss diese Rotation wirklich nur verlangsamen, damit Ihr Gehirn Zeit zum Aufholen hat."
Eine Knöchelorthese auf der Basis von Scherverdickungsflüssigkeit kann sich wie eine Neoprensocke mit dem Körper bewegen. Wenn sich der Knöchel jedoch heftig zu drehen beginnt, versteift sich die Flüssigkeit.
In Tennessee verwandelt der Geschäftsinhaber und Armeeveteran Russ Hubbard die RAT-Gurte von Wetzel in Geräte für die körperliche Rehabilitation. Lange Gummibänder werden üblicherweise zur Dehnung und zum Widerstand in der Physiotherapie verwendet. Hubbard stellt Bänder her, die mit Scherverdickungsflüssigkeit gefüllt sind. Je stärker du sie ziehst, desto enger werden sie. Und wenn Sie loslassen, gibt es keinen Rückprall. Dies bedeutet, dass die Patienten die Bänder so fest wie möglich ziehen können, ohne befürchten zu müssen, ins Gesicht getroffen zu werden, wenn sie ein Ende fallen lassen.
Binden für die Reha-Bands (Jhi Scott, ARL Photographer) „Mit dieser Technologie haben Sie immer die Möglichkeit, genau in diesem Moment Ihr maximales Potenzial auszuschöpfen“, sagt Hubbard. "Sie schränken die Leistungsfähigkeit des Patienten nicht ein, und das führt hoffentlich zu einer schnelleren Genesungszeit."
Hubbard arbeitet mit Forschern der Universität von Montana an einer Studie der Bands. Wenn es gelingt, hofft er, sie nächstes Jahr auf den Markt zu bringen.
Wetzel stellt sich vor, dass seine Fesseltechnologie irgendwann als Mittel zwischen Kleidung und Exoskelett eingesetzt wird. Kleidungsstücke aus flüssigkeitsgefüllten Bändern können verschiedene Körperteile stützen, die weich bleiben, wenn der Träger still ist oder sich langsam bewegt, und bei plötzlichen Bewegungen, wie dem Zusammenbruch eines Trickknies, fest und unterstützend werden.
Das Interesse an scherverdickenden Flüssigkeiten ist "definitiv etwas, das in der Forschungsgemeinschaft in den letzten fünf Jahren stark zugenommen hat", sagt Eric Brown, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Yale University.
Wissenschaftler untersuchen seit mehr als 80 Jahren scherverdickende Flüssigkeiten, sagt Brown, aber sie beginnen erst wirklich zu verstehen, wie und warum sie so arbeiten, wie sie es tun.
"Wir mischen nur Wasser und Maisstärke - sie scheinen wie einfache Dinge zu sein", sagt Brown. "Die Idee, dass wir nicht viel darüber verstehen, wie das funktioniert, ist manchmal für die Menschen überheblich."
Die Erforschung des Aufprallschutzes mit scherverdickenden Flüssigkeiten sei "vielversprechend", sagt Brown. Er glaubt, dass es in den kommenden Jahren wahrscheinlich eine Reihe von Produkten auf dem Markt geben wird, wie z. B. Fahrradhelme mit scherverdickender Flüssigkeit. D30, eine Scherverdickungsflüssigkeit aus Polymeren, die in einem flüssigen Schmiermittel suspendiert sind, wird bereits in Artikeln von Snowboard-Ausrüstung bis hin zu Handytaschen verwendet.
Für diejenigen von uns, die die Magie der Scherverdickungsflüssigkeit zu Hause erforschen möchten, gilt: Wenn Sie daran denken, ein Kinderbecken mit Oobleck zu füllen, um wie die YouTubers auf dem Wasser zu laufen, ist es schwieriger, als es aussieht. Brown weiß - er hat es ein paar Mal gemacht, nur zum Spaß.
"Das Schwierigste ist, dass Sie das Zeug mischen müssen", sagt er. "Wir mussten einen Betonmischer von Home Depot mieten."
