2022-11-24 13:53:50

通过模仿隐藏在自然生长模式中的基本规则来生成新材料

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。信贷:加州理工学院

受白蚁筑巢方式的启发,加州理工学院(Caltech)的科学家开发了一个框架来设计新材料,以模仿隐藏在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,有可能制造出具有特定可编程属性的材料。

这项研究发表在8月26日的《科学》杂志上。该研究由Chiara Daraio领导,G. Bradford Jones机械工程和应用物理学教授,传统医学研究所研究员。

Daraio说:“白蚁只有几毫米长,但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那么高。”如果你仔细观察白蚁巢穴内部,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、不规则的结构显得随意。然而,白蚁巢是专门为稳定和通风而优化的。

博茨瓦纳哈博罗内野生动物保护区的白蚁丘。众所周知,白蚁能筑起高达30英尺的土堆。信贷:Oratile Leipego

Daraio说:“我们认为,通过了解白蚁对巢穴制造的贡献,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。”建筑材料是由泡沫状或复合固体组成的建筑块,然后组织成从纳米到微米尺度的3D结构。到目前为止,建筑材料领域主要集中在周期结构上。这些体系结构包含一个统一的几何单元格,如八面体或立方体,然后这些单元格被重复以形成晶格结构。然而,对有序结构的关注限制了建筑材料的功能和使用。

“周期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。然而,如果我们考虑应用,它们不一定是最佳的设计选择,”Daraio说。像白蚁窝这样的无序结构在自然界中比周期结构更普遍,而且通常表现出优越的功能,但直到现在,工程师们还没有找到一种可靠的方法来设计它们。

奇亚拉达拉奥。信贷:加州理工学院

“我们最初解决这个问题的方法是考虑白蚁资源的有限数量,”Daraio说。当白蚁筑巢时,它并没有一个完整的巢穴设计蓝图;它只能根据当地的规则做出决定。例如,白蚁可能会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方法将沙粒组装在一起。圆形的沙粒可以放在半月形的沙粒旁边以增加稳定性。这种邻接关系的基本规则可以用来描述如何建造白蚁巢穴。她说:“我们为材料设计创建了一个数值程序,该程序具有类似的规则,定义了两种不同的材料块如何相互连接。”

这种算法,Daraio和他的团队称之为“虚拟生长程序”,模拟生物结构的自然生长,或者白蚁巢穴的制造。虚拟生长程序使用的不是一粒沙子或一粒灰尘,而是独特的材料几何形状,或称为构建块,以及这些构建块如何相互连接的邻接指导方针。在这个初始工作中使用的虚拟块包括L形、I形、T形和+形。此外,每个构件的可用性都有一个明确的限制,与白蚁在自然界中可能遇到的有限资源相似。使用这些约束条件,程序在网格上构建一个体系结构,然后这些体系结构可以转换为2D或3D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、十字或‘L’形。根据应用需求,这些几何图形可以用各种不同的构成材料进行3D打印。”

镜像白蚁巢穴的随机性,虚拟生长程序创建的每个几何图形都是独特的。例如,改变l型构建块的可用性,就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,生成了超过54,000个模拟体系结构样本。这些样品可以根据不同的力学特性分组,这些特性可能决定材料的刚度、密度或变形方式。通过绘制积木布局、资源可用性和由此产生的力学特征之间的关系图,研究小组可以分析无序结构的潜在规则。这代表了材料分析和工程的一个全新框架。

Daraio说:“我们想要了解材料设计的基本规则,然后创造出比我们目前在工程中使用的材料性能更好的材料。”“例如,我们设想创造一种更轻、更抗断裂、更能吸收机械冲击和振动的材料。”

虚拟生长程序通过模拟白蚁筑巢的方式,而不是复制巢穴本身的结构,探索了无序材料的未知边界。Daraio说:“这项研究的目的是控制材料的无序,利用以前没有开发过的设计和分析工具来改善机械和其他功能性能。”

参考:“具有可编程属性的不规则建筑材料的生长规则”,Ke Liu, Rachel Sun和Chiara Daraio, 2022年8月25日,《科学》。DOI: 10.1126 / science.abn1459

除了Daraio,前加州理工学院博士后刘珂(Ke Liu)和前本科生孙蕾切尔(Rachel Sun)是合著者。孙作为2020年加州理工学院暑期本科生研究奖学金(SURF)项目的学生参与了这个项目。资金由国家科学基金会、加州理工学院卡弗米德新冒险基金、加州理工学院SURF项目和北京大学工程学院提供。