Geïnspireerd door de manier waarop termieten hun nest bouwen, hebben onderzoekers van Caltech een raamwerk ontwikkeld om nieuwe materialen te ontwerpen die de fundamentele regels nabootsen die verborgen zijn in de groeipatronen van de natuur. De onderzoekers toonden aan dat het met behulp van deze regels mogelijk is om materialen te maken die zijn ontworpen met specifieke programmeerbare eigenschappen.

Het onderzoek, geleid door Chiara Daraio, G. Bradford Jones hoogleraar Werktuigbouwkunde en Toegepaste Natuurkunde en Heritage Medical Research Institute Investigator, werd gepubliceerd in het tijdschrift Science op 26 augustus.

"Termieten zijn slechts enkele millimeters lang, maar hun nesten kunnen wel 4 meter hoog worden - het equivalent van een mens die een huis bouwt ter hoogte van Mount Whitney in Californië", zegt Daraio. Als je in een termietennest kijkt, zie je een netwerk van asymmetrische, onderling verbonden structuren, zoals de binnenkant van een brood of een spons. Gemaakt van zandkorrels, stof, vuil, speeksel en mest, lijkt deze ongeordende, onregelmatige structuur willekeurig, maar een termietennest is specifiek geoptimaliseerd voor stabiliteit en ventilatie.

"We dachten dat we, door te begrijpen hoe een termiet bijdraagt ​​aan de fabricage van het nest, eenvoudige regels konden definiëren voor het ontwerpen van architectonische materialen met unieke mechanische eigenschappen", zegt Daraio. Gebouwde materialen zijn schuimachtige of samengestelde vaste stoffen die de bouwstenen vormen die vervolgens worden georganiseerd in 3D-structuren, van nano- tot micrometerschaal. Tot nu toe heeft het gebied van architectonische materialen zich voornamelijk gericht op periodieke architecturen - dergelijke architecturen bevatten een eenheidscel met uniforme geometrie, zoals een octaëder of kubus, en dan worden die eenheidscellen herhaald om een ​​roosterstructuur te vormen. De focus op geordende structuren heeft echter de functionaliteiten en het gebruik van architectonische materialen beperkt.

"Periodieke architecturen zijn handig voor ons ingenieurs omdat we aannames kunnen doen bij de analyse van hun eigenschappen. Als we echter nadenken over toepassingen, zijn ze niet noodzakelijk de optimale ontwerpkeuze", zegt Daraio. Ongeordende structuren, zoals die van een termietennest, komen vaker voor in de natuur dan periodieke structuren en vertonen vaak superieure functionaliteiten, maar tot nu toe hadden ingenieurs geen betrouwbare manier gevonden om ze te ontwerpen.

"De manier waarop we het probleem voor het eerst benaderden, was door te denken aan het beperkte aantal bronnen van een termiet", zegt Daraio. Wanneer het zijn nest bouwt, heeft een termiet geen blauwdruk van het algehele nestontwerp; het kan alleen beslissingen nemen op basis van lokale regels. Een termiet kan bijvoorbeeld zandkorrels gebruiken die hij in de buurt van zijn nest vindt en de korrels samenvoegen volgens procedures die zijn geleerd van andere termieten. Een ronde zandkorrel kan naast een halve maanvorm passen voor meer stabiliteit. Dergelijke basisregels voor nabijheid kunnen worden gebruikt om te beschrijven hoe een termietennest moet worden gebouwd. "We hebben een numeriek programma voor materiaalontwerp gemaakt met vergelijkbare regels die bepalen hoe twee verschillende materiaalblokken aan elkaar kunnen hechten", zegt ze.

Dit algoritme, dat Daraio en team het 'virtuele groeiprogramma' noemen, simuleert de natuurlijke groei van biologische structuren, of de fabricage van termietennesten. In plaats van een zandkorrel of een stofje, gebruikt het virtuele groeiprogramma de geometrieën van unieke materialen, of bouwstenen, evenals aangrenzende richtlijnen voor hoe die bouwstenen aan elkaar kunnen hechten. De virtuele blokken die in dit eerste werk worden gebruikt, omvatten een L-vorm, een I-vorm, een T-vorm en een +-vorm. Bovendien krijgt de beschikbaarheid van elke bouwsteen een gedefinieerde limiet, parallel aan de beperkte bronnen die een termiet in de natuur kan tegenkomen. Met behulp van deze beperkingen bouwt het programma een architectuur op een raster uit, waarna die architecturen kunnen worden vertaald in fysieke 2D- of 3D-modellen.

"Ons doel is om ongeordende geometrieën te genereren met eigenschappen die worden gedefinieerd door de combinatorische ruimte van enkele essentiële vormen, zoals een rechte lijn, een kruis of een 'L'-vorm. Deze geometrieën kunnen vervolgens worden 3D-geprint met een verscheidenheid aan verschillende constitutieve materialen, afhankelijk van op de vereisten van applicaties", zegt Daraio.

Elke geometrie die door het virtuele groeiprogramma wordt gecreëerd, weerspiegelt de willekeur van een termietennest. Het veranderen van de beschikbaarheid van L-vormige bouwstenen resulteert bijvoorbeeld in een nieuwe set constructies. Daraio en team experimenteerden met de virtuele inputs om meer dan 54.000 gesimuleerde architected samples te genereren; de monsters kunnen worden geclusterd in groepen met verschillende mechanische eigenschappen die kunnen bepalen hoe een materiaal vervormt, de stijfheid of de dichtheid ervan. Door de relatie tussen de bouwsteenlay-out, de beschikbaarheid van middelen en de resulterende mechanische kenmerken in een grafiek uit te zetten, kunnen Daraio en zijn team de onderliggende regels van ongeordende structuren analyseren. Dit vertegenwoordigt een volledig nieuw raamwerk voor materiaalanalyse en engineering.

"We willen de fundamentele regels van het ontwerp van materialen begrijpen om vervolgens materialen te creëren die superieure prestaties leveren in vergelijking met de materialen die we momenteel gebruiken in de techniek", zegt Daraio. "We stellen ons bijvoorbeeld de creatie voor van materialen die lichter zijn, maar ook beter bestand tegen breuken of beter in het absorberen van mechanische schokken en trillingen."

Het virtuele groeiprogramma verkent de onbekende grens van ongeordende materialen door de manier waarop een termiet zijn nest bouwt na te bootsen in plaats van de configuratie van het nest zelf te repliceren. "Dit onderzoek is gericht op het beheersen van wanorde in materialen om mechanische en andere functionele eigenschappen te verbeteren met behulp van ontwerp- en analytische hulpmiddelen die nog niet eerder zijn gebruikt", zegt Daraio. + Verder verkennen

Nieuw onderzoek identificeert de regels die termieten gebruiken om hun nest te bouwen