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這項(xiàng)研究于8月26日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。該研究由G. Bradford Jones機(jī)械工程和應(yīng)用物理學(xué)教授、遺產(chǎn)醫(yī)學(xué)研究所研究員Chiara Daraio領(lǐng)導(dǎo)。

Daraio說："白蟻只有幾毫米長(zhǎng)，但是它們的巢穴可以高達(dá)4米--相當(dāng)于人類建造的房子有加州惠特尼山的高度。如果你窺視白蟻巢穴的內(nèi)部，你會(huì)看到一個(gè)不對(duì)稱的、相互連接的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，類似于海綿或面包的內(nèi)部。由沙粒、泥土、灰塵、唾液和糞便組成，這種無序、不規(guī)則的結(jié)構(gòu)看起來很隨意。然而，白蟻的巢穴是專門為穩(wěn)定和通風(fēng)而優(yōu)化的。"

(資料圖)

博茨瓦納哈博羅內(nèi)野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)內(nèi)的一個(gè)白蟻丘。眾所周知，白蟻可以建造高達(dá)30英尺的蟻丘。

Daraio說："我們認(rèn)為，通過了解白蟻如何對(duì)巢穴的制造做出貢獻(xiàn)，我們可以為設(shè)計(jì)具有獨(dú)特機(jī)械性能的建筑材料定義簡(jiǎn)單的規(guī)則。架構(gòu)材料是由泡沫狀或復(fù)合固體組成的構(gòu)件，然后被組織成三維結(jié)構(gòu)，從納米到微米尺度。到目前為止，架構(gòu)化材料領(lǐng)域主要集中在周期性架構(gòu)上。這些架構(gòu)包含一個(gè)統(tǒng)一幾何的單元格，如八面體或立方體，然后這些單元格被重復(fù)形成一個(gè)晶格結(jié)構(gòu)。然而，專注于有序結(jié)構(gòu)限制了架構(gòu)材料的功能和使用。"

"周期性架構(gòu)對(duì)我們工程師來說很方便，因?yàn)槲覀兛梢栽诜治銎涮匦詴r(shí)做出假設(shè)。然而，如果我們考慮到應(yīng)用，它們不一定是最佳設(shè)計(jì)選擇，"Daraio說。無序結(jié)構(gòu)，如白蟻的巢穴，在自然界中比周期性結(jié)構(gòu)更普遍，而且往往顯示出卓越的功能，但是，直到現(xiàn)在，工程師們還沒有想出一個(gè)可靠的方法來設(shè)計(jì)它們。

基婭拉-達(dá)拉伊奧資料來源：加州理工學(xué)院

Daraio說："我們最初處理這個(gè)問題的方式是考慮到白蟻有限的資源數(shù)量。當(dāng)它筑巢時(shí)，白蟻沒有整體巢穴設(shè)計(jì)的藍(lán)圖；它只能根據(jù)局部規(guī)則做出決定。例如，白蟻可能會(huì)使用它在巢附近找到的沙粒，并按照從其他白蟻那里學(xué)到的程序?qū)⑸沉Ｑb在一起。一個(gè)圓形的沙?？赡苓m合在一個(gè)半月形的沙粒旁邊，以增加穩(wěn)定性。這種基本的相鄰規(guī)則可以用來描述如何建造一個(gè)白蟻巢穴。"她說："我們?yōu)椴牧系脑O(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字程序，其中有類似的規(guī)則，定義了兩個(gè)不同的材料塊如何能夠相互粘連。"

Daraio和團(tuán)隊(duì)將這種算法稱之為"虛擬生長(zhǎng)程序"，它模擬了生物結(jié)構(gòu)的自然生長(zhǎng)，或白蟻巢的制造過程。虛擬生長(zhǎng)程序使用的不是一粒沙子或一粒灰塵，而是獨(dú)特的材料的幾何形狀，或建筑塊，以及這些建筑塊如何相互連接的相鄰準(zhǔn)則。在這項(xiàng)初步工作中使用的虛擬塊包括一個(gè)L形、一個(gè)I形、一個(gè)T形和一個(gè)+形。此外，每個(gè)構(gòu)件的可用性都有一個(gè)明確的限制，與白蟻在自然界可能遇到的有限資源相類似。利用這些約束條件，該程序在網(wǎng)格上構(gòu)建出一個(gè)架構(gòu)，然后這些架構(gòu)可以被轉(zhuǎn)化為二維或三維物理模型。

"我們的目標(biāo)是生成無序的幾何圖形，其屬性由一些基本形狀的組合空間定義，如直線、十字架或'L'形。這些幾何形狀然后可以根據(jù)應(yīng)用的要求，用各種不同的構(gòu)成材料進(jìn)行3D打印，"Daraio說。

與白蟻巢穴的隨機(jī)性相呼應(yīng)，虛擬生長(zhǎng)程序創(chuàng)建的每個(gè)幾何形狀都是獨(dú)一無二的。例如，改變L型構(gòu)件的可用性，會(huì)產(chǎn)生一組新的結(jié)構(gòu)。Daraio和她的團(tuán)隊(duì)對(duì)虛擬輸入進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以產(chǎn)生超過54000個(gè)模擬的架構(gòu)樣本。這些樣品可以被歸類為具有不同機(jī)械特征的組，這些機(jī)械特征可能決定了材料的硬度、密度或其變形方式。通過繪制積木式布局、資源可用性和由此產(chǎn)生的機(jī)械特征之間的關(guān)系圖，研究小組可以分析無序結(jié)構(gòu)的基本規(guī)則。這代表了一個(gè)全新的材料分析和工程框架。

"我們希望了解材料設(shè)計(jì)的基本規(guī)則，然后創(chuàng)造出與我們目前在工程中使用的材料相比具有卓越性能的材料，"Daraio說。"例如，我們?cè)O(shè)想創(chuàng)造出更輕但也更耐斷裂或更能吸收機(jī)械沖擊和振動(dòng)的材料。"

虛擬生長(zhǎng)計(jì)劃通過模仿白蟻筑巢的方式，而不是復(fù)制巢穴本身的構(gòu)造，探索無序材料的未知領(lǐng)域。"Daraio說："這項(xiàng)研究的目的是控制材料中的無序狀態(tài)，利用以前沒有利用過的設(shè)計(jì)和分析工具，改善機(jī)械和其他功能特性。"

關(guān)鍵詞：幾何形狀基本規(guī)則機(jī)械特征