Inspirerade av termiters sätt att bygga sina bon har forskare vid Caltech utvecklat ett ramverk för att designa nya material som efterliknar de grundläggande reglerna som är gömda i naturens tillväxtmönster. Forskarna visade att med hjälp av dessa regler är det möjligt att skapa material designade med specifika programmerbara egenskaper.

Forskningen, ledd av Chiara Daraio, G. Bradford Jones professor i maskinteknik och utredare för tillämpad fysik och Heritage Medical Research Institute, publicerades i tidskriften Science den 26 augusti.

"Termiter är bara några millimeter långa, men deras bon kan stå så höga som 4 meter - motsvarande en människa som bygger ett hus på höjden av Kaliforniens Mount Whitney", säger Daraio. Om du kikar in i ett termitbo kommer du att se ett nätverk av asymmetriska, sammanlänkade strukturer, som insidan av en brödlimpa eller en svamp. Tillverkad av sandkorn, damm, smuts, saliv och dynga, verkar denna oordnade, oregelbundna struktur godtycklig, men ett termitbo är specifikt optimerat för stabilitet och ventilation.

"Vi tänkte att genom att förstå hur en termit bidrar till boets tillverkning kunde vi definiera enkla regler för att designa arkitektoniska material med unika mekaniska egenskaper", säger Daraio. Arkitekterade material är skumliknande eller sammansatta fasta ämnen som utgör byggstenarna som sedan organiseras i 3D-strukturer, från nano- till mikrometerskalan. Fram till denna punkt har området för arkitektonerade material främst fokuserat på periodiska arkitekturer - sådana arkitekturer innehåller en enhetlig geometrisk enhetscell, som en oktaeder eller kub, och sedan upprepas dessa enhetsceller för att bilda en gitterstruktur. Att fokusera på ordnade strukturer har dock begränsat funktionaliteten och användningen av arkitektonerade material.

"Periodiska arkitekturer är bekväma för oss ingenjörer eftersom vi kan göra antaganden i analysen av deras egenskaper. Men om vi tänker på applikationer är de inte nödvändigtvis det optimala designvalet", säger Daraio. Oordnade strukturer, som den hos ett termitbo, är vanligare till sin natur än periodiska strukturer och uppvisar ofta överlägsna funktionaliteter, men hittills hade ingenjörer inte kommit på ett tillförlitligt sätt att designa dem.

"Sättet vi först närmade oss problemet var genom att tänka på en termits begränsade antal resurser", säger Daraio. När den bygger sitt bo, har en termit inte en ritning av boets övergripande design; den kan bara fatta beslut baserat på lokala regler. Till exempel kan en termit använda sandkorn som den hittar nära sitt bo och passa ihop kornen enligt procedurer som lärts av andra termiter. Ett runt sandkorn kan passa intill en halvmåneform för ökad stabilitet. Sådana grundläggande regler för angränsning kan användas för att beskriva hur man bygger ett termitbo. "Vi skapade ett numeriskt program för materialdesign med liknande regler som definierar hur två olika materialblock kan fästa vid varandra", säger hon.

Denna algoritm, som Daraio och team kallar det "virtuella tillväxtprogrammet", simulerar den naturliga tillväxten av biologiska strukturer, eller tillverkningen av termitbon. Istället för ett sandkorn eller dammfläck använder det virtuella tillväxtprogrammet unika materialgeometrier, eller byggstenar, såväl som riktlinjer för närliggande byggstenar för hur dessa byggstenar kan fästa vid varandra. De virtuella blocken som används i detta inledande arbete inkluderar en L-form, en I-form, en T-form och en +-form. Dessutom ges tillgången på varje byggsten en definierad gräns, parallellt med de begränsade resurser som en termit kan stöta på i naturen. Genom att använda dessa begränsningar bygger programmet ut en arkitektur på ett rutnät, och sedan kan dessa arkitekturer översättas till fysiska 2D- eller 3D-modeller.

"Vårt mål är att generera oordnade geometrier med egenskaper som definieras av det kombinerande utrymmet av vissa väsentliga former, som en rak linje, ett kors eller en "L"-form. Dessa geometrier kan sedan 3D-utskrivas med en mängd olika konstitutiva material beroende på på applikationernas krav", säger Daraio.

Varje geometri som skapas av det virtuella tillväxtprogrammet är unik, vilket speglar slumpen i ett termitbo. Att ändra tillgängligheten av L-formade byggstenar resulterar till exempel i en ny uppsättning strukturer. Daraio och teamet experimenterade med de virtuella ingångarna för att generera mer än 54 000 simulerade arkitekturexempel; proverna kan grupperas i grupper med olika mekaniska egenskaper som kan avgöra hur ett material deformeras, dess styvhet eller dess densitet. Genom att plotta förhållandet mellan byggblockslayouten, tillgången på resurser och de resulterande mekaniska egenskaperna kan Daraio och teamet analysera de underliggande reglerna för oordnade strukturer. Detta representerar ett helt nytt ramverk för materialanalys och ingenjörskonst.

"Vi vill förstå de grundläggande reglerna för materialdesign för att sedan skapa material som har överlägsna prestanda jämfört med de vi för närvarande använder inom tekniken", säger Daraio. "Vi föreställer oss till exempel skapandet av material som är lättare men också mer motståndskraftiga mot brott eller bättre på att absorbera mekaniska stötar och vibrationer."

Det virtuella tillväxtprogrammet utforskar den okända gränsen för oordnade material genom att efterlikna hur en termit bygger sitt bo snarare än att replikera själva boets konfiguration. "Denna forskning syftar till att kontrollera störningar i material för att förbättra mekaniska och andra funktionella egenskaper med hjälp av design och analytiska verktyg som inte utnyttjats tidigare", säger Daraio. + Utforska vidare

Ny forskning identifierar reglerna som termiter använder för att bygga sina bon