一种新的实验技术，工程师探索滑坡和地震机制

麻省理工学院的研究人员开发了一种新方法，可以进行详细的三维实验，揭示颗粒材料内部如何传递力量以及颗粒形状如何极大地改变结果。这项新工作可能会为更好地理解滑坡是如何触发的以及如何控制工业过程中颗粒材料的流动提供更好的方法。他们的发现在《美国科学院院刊》上发表，论文的作者包括麻省理工学院土木与环境工程教授Ruben Juanes和现任斯托尼布鲁克大学教师Wei Li。

颗粒材料从土壤和沙子到面粉和糖都是无处不在的。Li表示：“它是日常用品，是我们基础设施的一部分。当我们进行太空探索时，我们的航天器降落在颗粒材料上。而颗粒介质的失败可能是灾难性的，比如山体滑坡。”

这项研究的一个主要发现是，“我们提供了关于为什么角形颗粒堆比球形颗粒堆更强壮的微观解释。”Juanes补充说：“从根本上理解材料的整体响应总是很重要的。我认为未来这可以提供一种新的预测材料何时会失败的方法。”

这些颗粒是光弹性的，Juanes解释说，这意味着在受力时，它们会根据受力大小修改通过它们的任何光。“因此，如果你通过它们投射偏振光并对材料施加压力，你就可以看到压力变化是如何以不同的颜色和亮度的形式在材料中发生的。”

通过这种方法，他们能够展示“当你压缩颗粒材料时，力将以我们所谓的链或丝束的形式传递，而这种新技术能够以三维方式可视化和描述。”为了获得这种3D视图，他们使用了光弹性结合计算机断层扫描技术，类似于医学CT扫描的方法，从一系列围绕360度旋转的2400张平面图像重建出完整的三维图像。

利用这种方法，他们能够证明不规则的角形颗粒产生比球形颗粒更强、更稳定的材料。虽然这是凭经验已知的，但新技术使得能够准确说明其中的原因，这是基于力是如何分布的，并且在未来的工作中将有可能研究各种颗粒类型，确定哪些特性最重要，以产生稳定的结构，比如铁路道床的碎石或防波堤上的抛石。

Juanes表示：“由于目前还没有办法观察这些材料中的三维力链，因此很难准确地预测滑坡何时会发生，因为我们不了解不同材料的力链结构。”Li表示，需要时间来发展这种方法，以便能够进行这样的预测，但最终这可能是这种新技术的重要贡献。并且，该方法还可能在许多其他领域应用，即使在看似无关的领域，如鱼卵在携带它们的鱼在水中移动时作出反应，或者帮助设计新型的机器人夹具，以便轻松地适应不同形状的物体。

这项工作得到了美国国家科学基金会的支持。