Istraživači sa Caltech-a razvili su okvir za dizajniranje novih materijala koji oponašaju osnovna pravila skrivena u obrascima rasta prirode. Inspirisani načinom na koji termiti grade svoja gnezda, istraživači su pokazali da je moguće kreirati materijale dizajnirane sa specifičnim programibilnim svojstvima.
Gnezdo termita (Foto: Oratile Leipego)
Istraživanje koje je vodila Chiara Daraio, G. Bradford Jones profesor mašinstva i primenjene fizike i istraživač Instituta za medicinska istraživanja nasleđa, objavljeno je nedavno u časopisu Science.
"Termiti su dugački samo nekoliko milimetara, ali njihova gnezda mogu da budu visoka i do 4 metra", kaže Daraio. Gnezda termita sačinjena su od mreže asimetričnih, međusobno povezanih struktura, poput unutrašnjosti vekne hleba ili sunđera. Napravljena od zrna peska, prašine, prljavštine, pljuvačke i balege, ova neuređena, nepravilna struktura izgleda proizvoljno, ali termitsko gnezdo je posebno optimizovano za stabilnost i ventilaciju.
Oglas
"Mislili smo da bismo razumevanjem kako termit doprinosi izradi gnezda mogli definisati jednostavna pravila za projektovanje arhitektonskih materijala sa jedinstvenim mehaničkim svojstvima", kaže Daraio. Arhitektonski materijali su penaste ili kompozitne čvrste materije koje se sastoje od građevinskih blokova organizovanih u 3D strukture, od nano do mikrometarske skale. Do sada se polje arhitektonskih materijala prvenstveno fokusiralo na periodične arhitekture - takve arhitekture sadrže jedinstvenu ćeliju geometrije, kao što je oktaedar ili kocka, a zatim se te forme ponavljaju i formiraju strukturu rešetke. Međutim, fokusiranje na uređene strukture ograničilo je funkcionalnost i upotrebu arhitektonskih materijala.
"Periodične arhitekture su pogodne za nas inženjere jer možemo da pravimo pretpostavke u analizi njihovih osobina. Međutim, ako razmišljamo o aplikacijama, one nisu nužno optimalan izbor dizajna", kaže Daraio. Neuređene strukture, poput one u gnezdu termita, više su zastupljene u prirodi od periodičnih struktura i često pokazuju superiorne funkcionalnosti, ali do sada inženjeri nisu otkrili pouzdan način da ih dizajniraju.
"Pristupili smo problemu razmišljajući o ograničenom broju resursa kojima termiti raspolažu" kaže Daraio. Kada gradi svoje gnezdo, termit nema nacrt celokupnog dizajna gnezda; može donositi odluke samo na osnovu lokalnih pravila. Na primer, termit može da koristi zrnca peska koje pronađe u blizini svog gnezda i da ih spoji prema postupcima naučenim od drugih termita. Okruglo zrno peska može stati pored oblika polumeseca radi veće stabilnosti. Takva osnovna pravila susedstva mogu se koristiti za opisivanje izgradnje gnezda termita. "Napravili smo numerički program za dizajn materijala sa sličnim pravilima koja definišu kako se dva različita bloka materijala mogu pridržavati jedan za drugog", kaže ona.
Algoritam koji Daraio i tim nazivaju "program virtuelnog rasta" simulira prirodni rast bioloških struktura ili izradu gnezda termita. Umesto zrna peska ili prašine, program virtuelnog rasta koristi jedinstvene geometrije materijala ili građevinskih blokova, kao i smernice za susednost koje se odnose na to kako se ti građevinski blokovi mogu pričvrstiti jedan za drugi. Virtuelni blokovi korišćeni u ovom početnom radu uključuju L oblik, I oblik, T oblik i oblik krsta. Pored toga, dostupnost svakog građevinskog bloka ima definisano ograničenje, paralelno sa ograničenim resursima na koje termit može naići u prirodi. Koristeći ova ograničenja, program gradi arhitekturu na mreži, a zatim se to može prevesti u 2D ili 3D fizičke modele.
"Naš cilj je da generišemo neuređene geometrije sa svojstvima definisanim kombinatornim prostorom nekih suštinskih oblika, kao što su prava linija, krst ili 'L' oblik. Ove geometrije se zatim mogu 3D štampati sa različitim konstitutivnim materijalima u zavisnosti od zahteva aplikacije", kaže Daraio.
Imitirajući nasumičnost termitskog gnezda, svaka geometrija koju kreira virtuelni program rasta je jedinstvena. Promena dostupnosti građevinskih blokova u obliku slova L, na primer, rezultira novim skupom struktura. Daraio i tim su eksperimentisali i generisali više od 54.000 simuliranih arhitektonskih uzoraka. Oni se mogu grupisati na osnovu različitih mehaničkih karakteristika koje mogu odrediti kako se materijal deformiše, njegovu krutost ili gustinu. Grafičkim prikazom odnosa između rasporeda građevinskih blokova, dostupnosti resursa i rezultujućih mehaničkih karakteristika, Daraio i tim mogu da analiziraju osnovna pravila neuređenih struktura. Ovo predstavlja potpuno novi okvir za analizu materijala i inženjering.
"Želimo da razumemo osnovna pravila dizajna materijala da bismo potom kreirali materijale koji imaju superiorne performanse u poređenju sa onima koje trenutno koristimo u inženjeringu", kaže Daraio. "Na primer, predviđamo stvaranje materijala koji su lakši, ali i otporniji na lom ili bolji u apsorpciji mehaničkih uticaja i vibracija."
Ovaj algoritam istražuje granice neuređenih materijala oponašajući način na koji termit gradi svoje gnezdo, a ne replicirajući konfiguraciju samog gnezda. "Ovo istraživanje ima za cilj kontrolu poremećaja u materijalima kako bi se poboljšala mehanička i druga funkcionalna svojstva koristeći dizajnerske i analitičke alate koji ranije nisu upotrebljavani", kaže Daraio.
