科学探索|通过模仿白蚁筑巢科学家运用其基本规则生成新材料通过模仿白蚁筑巢|科学家运用

受白蚁筑巢方式的启发，加州理工学院（Caltech）的科学家们开发了一个框架来设计新材料，模仿隐藏在大自然生长模式中的基本规则。研究人员证明，通过使用这些规则，有可能创造出具有特定可编程性质的材料。

文章图片
这项研究于8月26日发表在《科学》杂志上。该研究由G. Bradford Jones机械工程和应用物理学教授、遗产医学研究所研究员Chiara Daraio领导。
Daraio说："白蚁只有几毫米长，但是它们的巢穴可以高达4米--相当于人类建造的房子有加州惠特尼山的高度。如果你窥视白蚁巢穴的内部，你会看到一个不对称的、相互连接的结构网络，类似于海绵或面包的内部。由沙粒、泥土、灰尘、唾液和粪便组成，这种无序、不规则的结构看起来很随意。然而，白蚁的巢穴是专门为稳定和通风而优化的。"

文章图片

【科学探索|通过模仿白蚁筑巢科学家运用其基本规则生成新材料】博茨瓦纳哈博罗内野生动物保护区内的一个白蚁丘。众所周知，白蚁可以建造高达30英尺的蚁丘。
Daraio说："我们认为，通过了解白蚁如何对巢穴的制造做出贡献，我们可以为设计具有独特机械性能的建筑材料定义简单的规则。架构材料是由泡沫状或复合固体组成的构件，然后被组织成三维结构，从纳米到微米尺度。到目前为止，架构化材料领域主要集中在周期性架构上。这些架构包含一个统一几何的单元格，如八面体或立方体，然后这些单元格被重复形成一个晶格结构。然而，专注于有序结构限制了架构材料的功能和使用。"
"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其特性时做出假设。然而，如果我们考虑到应用，它们不一定是最佳设计选择，"Daraio说。无序结构，如白蚁的巢穴，在自然界中比周期性结构更普遍，而且往往显示出卓越的功能，但是，直到现在，工程师们还没有想出一个可靠的方法来设计它们。

文章图片

基娅拉-达拉伊奥资料来源：加州理工学院
Daraio说："我们最初处理这个问题的方式是考虑到白蚁有限的资源数量。当它筑巢时，白蚁没有整体巢穴设计的蓝图；它只能根据局部规则做出决定。例如，白蚁可能会使用它在巢附近找到的沙粒，并按照从其他白蚁那里学到的程序将沙粒装在一起。一个圆形的沙粒可能适合在一个半月形的沙粒旁边，以增加稳定性。这种基本的相邻规则可以用来描述如何建造一个白蚁巢穴。"她说："我们为材料的设计创建了一个数字程序，其中有类似的规则，定义了两个不同的材料块如何能够相互粘连。"
Daraio和团队将这种算法称之为"虚拟生长程序"，它模拟了生物结构的自然生长，或白蚁巢的制造过程。虚拟生长程序使用的不是一粒沙子或一粒灰尘，而是独特的材料的几何形状，或建筑块，以及这些建筑块如何相互连接的相邻准则。在这项初步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，每个构件的可用性都有一个明确的限制，与白蚁在自然界可能遇到的有限资源相类似。利用这些约束条件，该程序在网格上构建出一个架构，然后这些架构可以被转化为二维或三维物理模型。

科学探索|通过模仿白蚁筑巢 科学家运用其基本规则生成新材料

科学探索|通过模仿白蚁筑巢科学家运用其基本规则生成新材料