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通过模仿白蚁筑巢 科学家运用其基本规则生成新材料

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。

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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。"

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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。

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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。

"我们的目标是生成无序的几何图形,其属性由一些基本形状的组合空间定义,如直线、十字架或'L'形。这些几何形状然后可以根据应用的要求,用各种不同的构成材料进行3D打印,"Daraio说。

与白蚁巢穴的随机性相呼应,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型构件的可用性,会产生一组新的结构。Daraio和她的团队对虚拟输入进行了实验,以产生超过54000个模拟的架构样本。这些样品可以被归类为具有不同机械特征的组,这些机械特征可能决定了材料的硬度、密度或其变形方式。通过绘制积木式布局、资源可用性和由此产生的机械特征之间的关系图,研究小组可以分析无序结构的基本规则。这代表了一个全新的材料分析和工程框架。

"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,我们设想创造出更轻但也更耐断裂或更能吸收机械冲击和振动的材料。"

虚拟生长计划通过模仿白蚁筑巢的方式,而不是复制巢穴本身的构造,探索无序材料的未知领域。"Daraio说:"这项研究的目的是控制材料中的无序状态,利用以前没有利用过的设计和分析工具,改善机械和其他功能特性。"

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