DOI: https://doi.org/10.1038/s41524-025-01869-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41522820
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Miguel Ángel Moreno وآخرون
الموضوع الرئيسي: الالتصاق والاحتكاك والتفاعلات السطحية
نظرة عامة
قطع المواد اللينة هو عملية متعددة الأوجه تتأثر بتشوهات كبيرة، وكسر سطحي لينة، وقوى الاتصال مع أدوات القطع. غالبًا ما تصف الأساليب التجريبية والعددية التقليدية سلوكيات القطع المتنوعة بشكل غير كافٍ، لا سيما الانتقال من الانطباع إلى القطع وتأثير الآليات المبددة. تتناول هذه الدراسة هذه الفجوات من خلال إجراء اختبارات قطع مبتكرة على ثلاثة مواد تمثيلية – هيدروجيل لينة، ومطاط، ومواد غذائية – مع استخدام نموذج حسابي يدمج الكسر اللين، والالتصاق، والتفاعلات الاحتكاكية.
تشير النتائج إلى أن سلوكيات القطع تعتمد على المادة، وتتميز إما بانتقالات مفاجئة أو سلسة من الانطباع إلى بدء الكسر، تليها أنظمة قطع مستقرة متميزة. يلتقط النموذج الحسابي هذه السلوكيات بفعالية، كاشفًا أن مساهمات الالتصاق والقوى التماسك تؤثر بشكل أساسي على الضغوط الجانبية، بينما يبقى الاحتكاك الكولومبي غير ذي أهمية بسبب انخفاض ضغوط الاتصال. توفر هذه الأبحاث رؤى حاسمة في ميكانيكا القطع اللين، مما يؤسس إطارًا موحدًا يمكن أن يوجه تصميم المواد اللينة، وأدوات القطع، والبروتوكولات، مع آثار كبيرة على التشريح الجراحي وهندسة قوام الطعام المحسن للمضغ. كما تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى فهم شامل لميكانيكا القطع اللين، مع معالجة أسئلة رئيسية تتعلق بالعلاقة بين الانطباع وبداية القطع، ودور خصائص المادة في قوة القطع، وتفاعل الالتصاق، والتآكل، والاحتكاك في تحديد مقاومة القطع.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لإنتاج عينات هيدروجيل الجيلاتين والمطاط، بالإضافة إلى إعداد مواد غذائية قائمة على اللحم. تم إنشاء هيدروجيل الجيلاتين عن طريق خلط 10% وزن/حجم من الجيلاتين الحيواني مع أجزاء متساوية (50% حجم/حجم) من الماء والجلسرين، تليها الصب والتصلب عند 10 °م. تم تحريك الخليط لمدة 10 دقائق ثم تم تبريده لمدة ساعة. تم إعداد مطاط Sylgard 184 عن طريق دمج مكونين بنسبة 10:1 من القاعدة إلى عامل التصلب، وصبه في قالب، وتصلبه عند 90 °م لمدة ساعتين.
تكونت العينات القائمة على اللحم من 92% لحم خنزير، مع إضافة الماء، وتوابل متنوعة، ودكستروز، وثنائي الفوسفات، وحمض الأسكوربيك، ونترات الصوديوم، وتم تغليفها في أمعاء الخنزير مع لمسة من دخان خشب الزان. كانت الأبعاد لعينة هيدروجيل الجيلاتين والمطاط المستخدمة في تجارب القطع موحدة عند 30 مم × 30 مم × 21 مم، بينما كانت عينات اللحم أصغر قليلاً عند 25 مم في العرض لتسهيل تشكيلها. بالنسبة للاختبار الشد، تم قطع جميع أنواع العينات إلى أبعاد 12 مم في العرض، و3 مم في السماكة، و30 مم في الطول.
نتائج
تكشف نتائج هذه الدراسة أن سلوك القطع للمواد اللينة، مثل هيدروجيل الجيلاتين، والمطاط، ومواد غذائية قائمة على اللحم، تحكمه تفاعلات معقدة تشمل تشوه المادة، والكسر، والاحتكاك. تحدد الأبحاث ثلاثة سلوكيات قطع متميزة بناءً على تفاعل هذه الآليات، والتي تعتبر حاسمة لتوقع والتحكم في عمليات القطع. باستخدام إعداد تجريبي مخصص، تظهر الدراسة أن هيدروجيل الجيلاتين يظهر انتقالًا حادًا من الانطباع إلى القطع يتميز بإطلاق كبير لطاقة التشوه المخزنة، مما يؤدي إلى انهيار متماسك عند طرف الشفرة. في المقابل، يظهر المطاط انتقالًا سلسًا وخطيًا دون فشل مفاجئ، مما يشير إلى متانته العالية وتبدد الطاقة الثابت أثناء القطع. تعرض مادة الطعام القائمة على اللحم هضبة قوة قطع متقلبة، مما يشير إلى ضغوط جانبية ضئيلة وآلية تمزق لينة، تتأثر بهيكلها الداخلي غير المتجانس.
تشدد النتائج على أهمية فهم الاستجابات الميكانيكية للمواد اللينة أثناء القطع، حيث تظهر سلوكيات فريدة تختلف عن المواد الهشة أو ذات الروابط العالية. كما تسلط الدراسة الضوء على إمكانية تحسين قوام الطعام لتحسين المضغ من خلال هندسة استجابات القطع لمواد متنوعة، بما في ذلك الجبن، والتوفو، والمارشميلو. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في القطع المعتمد على المعدل في المواد اللزجة، نظرًا للتعقيدات الملحوظة في آليات القطع للمواد اللينة.
مناقشة
يقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلًا شاملاً لنموذج حسابي متكامل مصمم لتوضيح ميكانيكا القطع في المواد اللينة. يعزل النموذج بفعالية المساهمات الفيزيائية المختلفة، مثل الاستجابة التركيبية للمادة، وتبدد الطاقة أثناء الكسر، والقوى الاحتكاكية الجانبية، والتي غالبًا ما تكون متشابكة في الإعدادات التجريبية. من خلال محاكاة عملية القطع تحت ظروف واقعية، يكشف النموذج أن الانتقال من الانطباع إلى القطع يمكن أن يكون إما مفاجئًا أو سلسًا، اعتمادًا على خصائص المادة والتفاعلات السطحية. على وجه التحديد، يظهر هيدروجيل الجيلاتين انخفاضًا حادًا في قوة القطع بسبب انخفاض تبدد الطاقة، بينما يظهر المطاط والمواد القائمة على اللحم انتقالات أكثر سلاسة، تُعزى إلى تأثيرات التخميد الأعلى.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن القوى اللاصقة تهيمن على الضغوط الجانبية أثناء القطع، مما يتحدى الآراء التقليدية التي تؤكد على الاحتكاك الكولومبي. يلتقط النموذج الحسابي الدور الحاسم للقوى التماسك ومعدلات إطلاق الطاقة في عملية القطع، مما يقترح تحولًا في النموذج من معايير الفشل المعتمدة على الإجهاد إلى فهم أكثر دقة لميكانيكا الكسر. تؤكد النتائج على أهمية تغاير المادة وسلوك السطح في تحديد استجابات القطع، مع آثار على تطبيقات متنوعة، بما في ذلك معالجة الأنسجة اللينة ومعالجة الطعام. قد تشمل اتجاهات البحث المستقبلية دمج الأساليب المعتمدة على البيانات لتحسين تحديد معلمات المادة واستكشاف السلوكيات اللزجة في سيناريوهات القطع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41524-025-01869-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41522820
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Miguel Ángel Moreno et al.
Primary Topic: Adhesion, Friction, and Surface Interactions
Overview
The cutting of soft materials is a multifaceted process influenced by large bulk deformations, interfacial soft fracture, and contact forces with cutting tools. Traditional experimental and numerical approaches often inadequately describe the diverse cutting behaviors observed, particularly the transition from indentation to cutting and the impact of dissipative mechanisms. This study addresses these gaps by conducting innovative cutting tests on three representative materials—a soft hydrogel, an elastomer, and food materials—while employing a computational model that integrates soft fracture, adhesion, and frictional interactions.
The findings indicate that cutting behaviors are material-dependent, characterized by either abrupt or smooth transitions from indentation to crack initiation, followed by distinct steady cutting regimes. The computational model effectively captures these behaviors, revealing that cohesive forces’ adhesion and damping contributions primarily influence tangential stresses, while Coulomb friction remains negligible due to low contact pressures. This research provides critical insights into the mechanics of soft cutting, establishing a unified framework that can inform the design of soft materials, cutting tools, and protocols, with significant implications for surgical dissection and the engineering of food textures optimized for mastication. The study also highlights the need for a comprehensive understanding of soft cutting mechanics, addressing key questions regarding the relationship between indentation and cutting onset, the role of material properties in cutting force, and the interplay of adhesion, wear, and friction in determining cutting resistance.
Methods
In this section, the methods employed for producing gelatin hydrogel and elastomer samples, as well as the preparation of meat-based food materials, are detailed. The gelatin hydrogel was created by mixing 10% w/v animal-based gelatin with equal parts (50% v/v) water and glycerin, followed by casting and solidification at 10 °C. The mixture was stirred for 10 minutes and then refrigerated for one hour. Sylgard 184 elastomer was prepared by combining two components in a 10:1 base-to-curing agent ratio, cast into a mold, and cured at 90 °C for two hours.
The meat-based samples consisted of 92% pork, supplemented with water, various spices, dextrose, diphosphates, ascorbic acid, and sodium nitrite, and were encased in pork intestine with a beechwood smoke finish. The dimensions for the gelatin hydrogel and elastomer samples used in cutting experiments were standardized at 30 mm × 30 mm × 21 mm, while the meat samples were slightly smaller at 25 mm in width to facilitate shaping. For tensile testing, all sample types were cut to dimensions of 12 mm in width, 3 mm in thickness, and 30 mm in length.
Results
The results of this study reveal that the cutting behavior of soft materials, such as gelatin hydrogel, elastomer, and meat-based food materials, is governed by complex interactions involving material deformation, fracture, and friction. The research identifies three distinct cutting behaviors based on the interplay of these mechanisms, which are critical for predicting and controlling cutting processes. Using a custom experimental setup, the study demonstrates that the gelatin hydrogel exhibits a sharp indentation-to-cutting transition characterized by a significant release of stored strain energy, leading to a cohesive collapse at the blade tip. In contrast, the elastomer shows a smooth, linear transition without abrupt failure, indicating its high toughness and steady energy dissipation during cutting. The meat-based food material displays a fluctuating cutting force plateau, suggesting negligible tangential stresses and a ductile tearing mechanism, influenced by its heterogeneous internal structure.
The findings emphasize the importance of understanding the mechanical responses of soft materials during cutting, as they exhibit unique behaviors that differ from brittle or highly crosslinked materials. The study also highlights the potential for optimizing food textures for improved mastication by engineering the cutting responses of various materials, including cheese, tofu, and marshmallow. Overall, the research underscores the need for further investigation into rate-dependent cutting in viscoelastic materials, given the complexities observed in the cutting mechanisms of soft materials.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of a coupled computational model designed to elucidate the mechanics of cutting in soft materials. The model effectively isolates various physical contributions, such as the material’s constitutive response, energy dissipation during fracture, and tangential frictional forces, which are often intertwined in experimental settings. By simulating the cutting process under realistic conditions, the model reveals that the transition from indentation to cutting can be either abrupt or smooth, depending on the material properties and interfacial interactions. Specifically, the gelatin hydrogel exhibits a sharp drop in cutting force due to low energy dissipation, while the elastomer and meat-based materials demonstrate smoother transitions, attributed to higher damping effects.
Key findings indicate that adhesive forces dominate the tangential stresses during cutting, challenging traditional views that emphasize Coulomb friction. The computational model captures the critical role of cohesive forces and energy release rates in the cutting process, suggesting a paradigm shift from stress-based failure criteria to a more nuanced understanding of fracture mechanics. The results underscore the importance of material heterogeneity and interfacial behavior in determining cutting responses, with implications for various applications, including soft tissue manipulation and food processing. Future research directions may involve integrating data-driven approaches to refine material parameter identification and exploring viscoelastic behaviors in cutting scenarios.