模仿白蚁以生成新材料

受到白蚁如何筑巢的启发，加州理工学院的研究人员开发了一个框架来设计新材料，模仿隐藏在自然生长模式中的基本规则。研究人员表明，使用这些规则，可以创建具有特定可编程特性的材料。

这项研究由G. Bradford Jones机械工程和应用物理学教授以及遗产医学研究所研究员Chiara Daraio领导，发表在《科学》杂志上。

“白蚁只有几毫米长，但它们的巢可以高达4米 - 相当于人类建造加州惠特尼山高度的房屋，”Daraio说。如果你在白蚁巢内窥视，你会看到一个不对称的、相互连接的结构网络，比如面包或海绵的内部。这种无序、不规则的结构看起来很随意，由沙粒、灰尘、泥土、唾液和粪便组成，但白蚁巢穴专门针对稳定性和通风进行了优化。

“我们认为，通过了解白蚁如何促进巢穴的制造，我们可以定义简单的规则来设计具有独特机械性能的建筑材料，”Daraio说。建筑材料是泡沫状或复合固体，它们构成构建块，然后组织成从纳米级到微米级的3D结构。到目前为止，建筑材料领域主要集中在周期性建筑上——这种建筑包含一个统一的几何单元，如八面体或立方体。然后重复这些晶胞以形成晶格结构。然而，专注于有序结构限制了建筑材料的功能和使用。

“周期性架构对我们工程师来说很方便，因为我们可以在分析它们的属性时做出假设。但是，如果我们考虑应用程序，它们不一定是最佳设计选择，“Daraio说。无序结构，如白蚁巢，在自然界中比周期性结构更普遍，并且通常表现出优越的功能，但直到现在，工程师还没有找到一种可靠的方法来设计它们。

“我们最初解决这个问题的方式是考虑白蚁有限的资源，”Daraio说。白蚁筑巢时，没有整体筑巢设计的蓝图;它只能根据当地规则做出决定。例如，白蚁可以使用它在巢穴附近发现的沙粒，并按照从其他白蚁那里学到的程序将粒子放在一起。为了增加稳定性，圆形沙粒可能适合半月形。这种邻接的基本规则可以描述如何建造白蚁巢。“我们为材料设计创建了一个数字程序，具有类似的规则，定义了两个不同的材料块如何相互粘附，”她说。

Daraio和团队称之为“虚拟生长程序”的算法模拟生物结构的自然生长或白蚁巢的制造。虚拟增长计划不是一粒沙子或灰尘，而是使用独特的材料几何形状或构建块，以及这些构建块如何连接的邻接指南。这个初始工作中使用的虚拟块包括一个L形，一个I形，一个T形和一个+形。此外，每个构建块的可用性都有一个定义的限制，与白蚁在自然界中可能遇到的有限资源平行。使用这些约束，程序在网格上构建架构，这些架构可以转换为 2D 或 3D 物理模型。

“我们的目标是生成无序几何形状，其属性由一些基本形状的组合空间定义，如直线、十字或'L'形。然后可以根据应用的要求，用各种不同的组成材料3D打印这些几何形状，“Daraio说。

镜像白蚁巢的随机性，虚拟生长程序创建的每个几何形状都是独一无二的。例如，改变L形构建块的可用性会导致一组新的结构。Daraio和团队对虚拟输入进行了实验，以生成超过54，000个模拟架构样本;样品可以聚集成具有不同机械特性的组，这些组可能决定材料如何变形、刚度或密度。通过绘制构建块布局、资源可用性和由此产生的机械特征之间的关系，Daraio 和团队可以分析无序结构的基本规则。这代表了材料分析和工程的全新框架。

“我们希望了解材料设计的基本规则，然后创造出与我们目前在工程中使用的材料相比具有卓越性能的材料，”Daraio说。“例如，我们设想创造更轻、更耐断裂或更好地吸收机械冲击和振动的材料。

虚拟生长计划通过模拟白蚁筑巢的方式而不是复制巢穴本身的配置来探索无序材料的未知前沿。“这项研究旨在控制材料的无序性，以使用以前未开发的设计和分析工具来改善机械和其他功能性能，”Daraio说。

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