Nachahmung von Termiten zur Erzeugung neuer Materialien

Inspiriert von der Art und Weise, wie Termiten ihre Nester bauen, haben Forscher am Caltech einen Rahmen entwickelt, um neue Materialien zu entwerfen, die die grundlegenden Regeln nachahmen, die in den Wachstumsmustern der Natur verborgen sind. Die Forscher zeigten, dass es mit diesen Regeln möglich ist, Materialien mit spezifischen programmierbaren Eigenschaften zu erstellen.

Die von Chiara Daraio, G. Bradford Jones-Professorin für Maschinenbau und angewandte Physik und Forscherin am Heritage Medical Research Institute, geleitete Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft am 26.08.

„Termiten sind nur wenige Millimeter lang, aber ihre Nester können bis zu 4 Meter hoch werden – das Äquivalent eines Menschen, der ein Haus von der Höhe des kalifornischen Mount Whitney baut“, sagt Daraio. Wenn Sie in ein Termitennest blicken, sehen Sie ein Netzwerk asymmetrischer, miteinander verbundener Strukturen, wie das Innere eines Brotlaibs oder eines Schwamms. Diese ungeordnete, unregelmäßige Struktur aus Sandkörnern, Staub, Schmutz, Speichel und Dung erscheint willkürlich, aber ein Termitennest ist speziell auf Stabilität und Belüftung optimiert.

„Wir dachten, dass wir durch das Verständnis, wie eine Termite zur Herstellung des Nestes beiträgt, einfache Regeln für die Gestaltung von Architekturmaterialien mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften definieren könnten“, sagt Daraio. Architekturmaterialien sind schaumartige oder zusammengesetzte Festkörper, die die Bausteine ​​umfassen, die dann in 3D-Strukturen organisiert werden, von der Nano- bis zur Mikrometerskala. Bis zu diesem Zeitpunkt hat sich das Gebiet der architektonischen Materialien hauptsächlich auf periodische Architekturen konzentriert – solche Architekturen enthalten eine Einheitszelle mit einheitlicher Geometrie, wie ein Oktaeder oder ein Würfel, und dann werden diese Einheitszellen wiederholt, um eine Gitterstruktur zu bilden. Die Konzentration auf geordnete Strukturen hat jedoch die Funktionalitäten und die Verwendung von Architekturmaterialien eingeschränkt.

„Periodische Architekturen sind praktisch für uns Ingenieure, weil wir bei der Analyse ihrer Eigenschaften Annahmen treffen können. Wenn wir jedoch über Anwendungen nachdenken, sind sie nicht unbedingt die optimale Designwahl“, sagt Daraio. Ungeordnete Strukturen wie die eines Termitennests sind in der Natur häufiger als periodische Strukturen und weisen oft überlegene Funktionalitäten auf, aber bis jetzt hatten Ingenieure keinen zuverlässigen Weg gefunden, sie zu entwerfen.

„Zunächst näherten wir uns dem Problem, indem wir an die begrenzten Ressourcen einer Termite dachten“, sagt Daraio. Wenn sie ihr Nest baut, hat eine Termite keine Blaupause des gesamten Nestdesigns; es kann nur Entscheidungen auf der Grundlage lokaler Regeln treffen. Beispielsweise kann eine Termite Sandkörner verwenden, die sie in der Nähe ihres Nestes findet, und die Körner nach Verfahren zusammenfügen, die sie von anderen Termiten gelernt hat. Ein rundes Sandkorn kann zur Erhöhung der Stabilität neben eine Halbmondform passen. Solche Grundregeln der Nachbarschaft können verwendet werden, um zu beschreiben, wie man ein Termitennest baut. „Wir haben ein numerisches Programm für das Design von Materialien mit ähnlichen Regeln erstellt, die definieren, wie zwei verschiedene Materialblöcke aneinander haften können“, sagt sie.

Dieser Algorithmus, den Daraio und sein Team als „virtuelles Wachstumsprogramm“ bezeichnen, simuliert das natürliche Wachstum biologischer Strukturen oder die Herstellung von Termitennestern. Anstelle eines Sandkorns oder Staubkorns verwendet das Programm für virtuelles Wachstum einzigartige Materialgeometrien oder Bausteine ​​sowie Nachbarschaftsrichtlinien dafür, wie diese Bausteine ​​aneinander haften können. Die in dieser ersten Arbeit verwendeten virtuellen Blöcke umfassen eine L-Form, eine I-Form, eine T-Form und eine +-Form. Darüber hinaus ist die Verfügbarkeit jedes Bausteins definiert, parallel zu den begrenzten Ressourcen, denen eine Termite in der Natur begegnen kann. Unter Verwendung dieser Einschränkungen baut das Programm eine Architektur auf einem Gitter auf, und diese Architekturen können dann in physische 2D- oder 3D-Modelle übersetzt werden.

„Unser Ziel ist es, ungeordnete Geometrien mit Eigenschaften zu erzeugen, die durch den Kombinationsraum einiger wesentlicher Formen wie einer geraden Linie, eines Kreuzes oder einer ‚L‘-Form definiert werden. Diese Geometrien können dann je nach Bedarf mit einer Vielzahl unterschiedlicher konstitutiver Materialien 3D-gedruckt werden den Anforderungen der Anwendungen“, sagt Daraio.

Die Zufälligkeit eines Termitennests widerspiegelnd, ist jede vom virtuellen Wachstumsprogramm erstellte Geometrie einzigartig. Die Änderung der Verfügbarkeit von L-förmigen Bausteinen führt beispielsweise zu einem neuen Satz von Strukturen. Daraio und sein Team experimentierten mit den virtuellen Eingaben, um mehr als 54.000 simulierte architektonische Beispiele zu generieren; Die Proben könnten in Gruppen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften gruppiert werden, die bestimmen könnten, wie sich ein Material verformt, seine Steifigkeit oder seine Dichte. Durch die grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Bausteinlayout, der Verfügbarkeit von Ressourcen und den daraus resultierenden mechanischen Merkmalen können Daraio und sein Team die zugrunde liegenden Regeln ungeordneter Strukturen analysieren. Dies stellt einen völlig neuen Rahmen für die Materialanalyse und das Engineering dar.

„Wir wollen die Grundregeln des Materialdesigns verstehen, um dann Materialien zu schaffen, die im Vergleich zu denen, die wir derzeit in der Technik verwenden, überlegene Leistungen aufweisen“, sagt Daraio. „Wir stellen uns zum Beispiel die Schaffung von Materialien vor, die leichter, aber auch bruchfester sind oder mechanische Stöße und Vibrationen besser absorbieren.“

Das virtuelle Wachstumsprogramm erkundet die unerforschte Grenze ungeordneter Materialien, indem es die Art und Weise nachahmt, wie eine Termite ihr Nest baut, anstatt die Konfiguration des Nests selbst zu replizieren. „Diese Forschung zielt darauf ab, die Unordnung in Materialien zu kontrollieren, um mechanische und andere funktionelle Eigenschaften zu verbessern, indem Design- und Analysewerkzeuge verwendet werden, die zuvor nicht genutzt wurden“, sagt Daraio.