Efterligner termitter for at generere nye materialer

Inspireret af den måde, termitter bygger deres reder på, har forskere ved Caltech udviklet en ramme til at designe nye materialer, der efterligner de grundlæggende regler, der er gemt i naturens vækstmønstre. Forskerne viste, at ved hjælp af disse regler er det muligt at skabe materialer designet med specifikke programmerbare egenskaber.

Forskningen, ledet af Chiara Daraio, G. Bradford Jones professor i maskinteknik og anvendt fysik og arvemedicinsk forskningsinstitut, blev offentliggjort i tidsskriftet Science den 26. august.

"Termitter er kun et par millimeter lange, men deres reder kan stå så højt som 4 meter - det svarer til et menneske, der bygger et hus på højden af ​​Californiens Mount Whitney," siger Daraio. Hvis du kigger ind i en termitrede, vil du se et netværk af asymmetriske, indbyrdes forbundne strukturer, som det indre af et brød eller en svamp. Fremstillet af sandkorn, støv, snavs, spyt og møg virker denne uordnede, uregelmæssige struktur vilkårlig, men en termitbo er specifikt optimeret til stabilitet og ventilation.

"Vi troede, at ved at forstå, hvordan en termit bidrager til redens fremstilling, kunne vi definere enkle regler for design af arkitektonerede materialer med unikke mekaniske egenskaber," siger Daraio. Arkitekterede materialer er skumlignende eller sammensatte faste stoffer, der omfatter byggestenene, der derefter organiseres i 3D-strukturer, fra nano- til mikrometerskalaen. Indtil dette punkt har feltet for arkitekterede materialer primært fokuseret på periodiske arkitekturer - sådanne arkitekturer indeholder en ensartet geometrienhedscelle, som et oktaeder eller en terning, og derefter gentages disse enhedsceller for at danne en gitterstruktur. Fokus på ordnede strukturer har dog begrænset funktionaliteterne og brugen af ​​arkitektonerede materialer.

"Periodiske arkitekturer er bekvemme for os ingeniører, fordi vi kan lave antagelser i analysen af ​​deres egenskaber. Men hvis vi tænker på applikationer, er de ikke nødvendigvis det optimale designvalg," siger Daraio. Uordnede strukturer, som for en termitrede, er mere udbredte i naturen end periodiske strukturer og viser ofte overlegne funktionaliteter, men indtil nu havde ingeniører ikke fundet ud af en pålidelig måde at designe dem på.

"Måden vi først nærmede os problemet var ved at tænke på en termits begrænsede antal ressourcer," siger Daraio. Når den bygger sin rede, har en termit ikke en plan for det overordnede rededesign; den kan kun træffe beslutninger baseret på lokale regler. For eksempel kan en termit bruge sandkorn, den finder i nærheden af ​​sin rede, og passe kornene sammen efter procedurer lært af andre termitter. Et rundt sandkorn kan passe ved siden af ​​en halvmåneform for øget stabilitet. Sådanne grundlæggende regler for tilknytning kan bruges til at beskrive, hvordan man bygger en termitbo. "Vi skabte et numerisk program for materialers design med lignende regler, der definerer, hvordan to forskellige materialeblokke kan klæbe til hinanden," siger hun.

Denne algoritme, som Daraio og team kalder det "virtuelle vækstprogram", simulerer den naturlige vækst af biologiske strukturer eller fremstillingen af ​​termitreder. I stedet for et sandkorn eller støvkorn bruger det virtuelle vækstprogram unikke materialers geometrier eller byggeklodser samt retningslinjer for, hvordan disse byggeklodser kan hæftes til hinanden. De virtuelle blokke, der bruges i dette indledende arbejde, inkluderer en L-form, en I-form, en T-form og en +-form. Derudover er tilgængeligheden af ​​hver byggeklods givet en defineret grænse, parallelt med de begrænsede ressourcer, en termit kan støde på i naturen. Ved at bruge disse begrænsninger opbygger programmet en arkitektur på et gitter, og derefter kan disse arkitekturer oversættes til fysiske 2D- eller 3D-modeller.

"Vores mål er at generere uordnede geometrier med egenskaber defineret af det kombinerede rum af nogle essentielle former, såsom en lige linje, et kryds eller en 'L'-form. Disse geometrier kan derefter 3D-printes med en række forskellige konstitutive materialer afhængigt af på applikationernes krav," siger Daraio.

Hver geometri, der er skabt af det virtuelle vækstprogram, afspejler tilfældigheden af ​​en termitbo, unik. Ændring af tilgængeligheden af ​​L-formede byggeklodser resulterer for eksempel i et nyt sæt strukturer. Daraio og teamet eksperimenterede med de virtuelle input for at generere mere end 54.000 simulerede arkitekterede prøver; prøverne kan grupperes i grupper med forskellige mekaniske egenskaber, der kan bestemme, hvordan et materiale deformeres, dets stivhed eller dets tæthed. Ved at tegne forholdet mellem byggeklodslayoutet, tilgængeligheden af ​​ressourcer og de resulterende mekaniske funktioner, kan Daraio og teamet analysere de underliggende regler for uordnede strukturer. Dette repræsenterer en helt ny ramme for materialeanalyse og konstruktion.

"Vi ønsker at forstå de grundlæggende regler for materialers design for derefter at skabe materialer, der har en overlegen ydeevne sammenlignet med dem, vi i øjeblikket bruger inden for teknik," siger Daraio. "For eksempel forestiller vi os skabelsen af ​​materialer, der er mere lette, men også mere modstandsdygtige over for brud eller bedre til at absorbere mekaniske stød og vibrationer."

Det virtuelle vækstprogram udforsker den ukendte grænse for uordnede materialer ved at efterligne den måde, en termit bygger sin rede på i stedet for at replikere konfigurationen af ​​selve reden. "Denne forskning sigter mod at kontrollere uorden i materialer for at forbedre mekaniske og andre funktionelle egenskaber ved hjælp af design og analytiske værktøjer, der ikke er blevet udnyttet før," siger Daraio. + Udforsk yderligere

Ny forskning identificerer de regler, som termitter bruger til at bygge deres reder