Исследование, проведенное под руководством Кьяры Дарайо, профессора машиностроения и прикладной физики Дж. Брэдфорда Джонса и исследователя Heritage Medical Research Institute, было опубликовано в журнале Наука 26 августа.

"Длина термитов всего несколько миллиметров, но их гнезда могут достигать 4 метров в высоту - эквивалент того, что человек строит дом высотой с калифорнийскую гору Уитни", - говорит Дарайо. Если вы заглянете внутрь термитного гнезда, то увидите сеть асимметричных, взаимосвязанных структур, похожих на внутреннюю часть буханки хлеба или бисквита. Сделанная из песчинок, пыли, грязи, слюны и навоза, эта беспорядочная, нерегулярная структура кажется произвольной, но гнездо термитов специально оптимизировано для стабильности и вентиляции.

"Мы подумали, что, поняв, как термит участвует в изготовлении гнезда, мы могли бы определить простые правила для проектирования архитектурных материалов с уникальными механическими свойствами", - говорит Дарайо. Архитектурные материалы представляют собой пенообразные или композитные твердые частицы, которые содержат строительные блоки, которые затем организуются в трехмерные структуры, от нано- до микрометрового масштаба. До этого момента область архитектурных материалов была в основном сосредоточена на периодических архитектурах - такие архитектуры содержат элементарную ячейку однородной геометрии, такую как октаэдр или куб, а затем эти элементарные ячейки повторяются, образуя решетчатую структуру. Однако сосредоточение внимания на упорядоченных структурах ограничило функциональность и использование архитектурных материалов.

"Периодические архитектуры удобны для нас, инженеров, потому что мы можем делать предположения при анализе их свойств. Однако, если мы думаем о приложениях, они не обязательно являются оптимальным выбором дизайна", - говорит Дарайо. Неупорядоченные структуры, подобные гнезду термитов, более распространены в природе, чем периодические структуры, и часто обладают превосходными функциональными возможностями, но до сих пор инженеры не нашли надежного способа их проектирования.

"Сначала мы подошли к проблеме, подумав об ограниченном количестве ресурсов термита", - говорит Дарайо. Когда термит строит свое гнездо, у него нет плана общего дизайна гнезда; он может принимать решения только на основе местных правил. Например, термит может использовать песчинки, которые он находит рядом со своим гнездом, и соединять их вместе, следуя процедурам, изученным у других термитов. Круглое песчаное зерно может поместиться рядом с формой полумесяца для повышения устойчивости. Такие основные правила соседства могут быть использованы для описания того, как построить гнездо термита. "Мы создали числовую программу для проектирования материалов с аналогичными правилами, которые определяют, как два разных материальных блока могут прилипать друг к другу", - говорит она.

Этот алгоритм, который Дарайо и его команда называют "программой виртуального роста", имитирует естественный рост биологических структур или изготовление гнезд термитов. Вместо песчинки или пылинки программа виртуального роста использует геометрию уникальных материалов, или строительных блоков, а также рекомендации по смежности для того, как эти строительные блоки могут прикрепляться друг к другу. Виртуальные блоки, использованные в этой начальной работе, включают L-образную форму, I-образную форму, T-образную форму и a +-форму. Кроме того, доступность каждого строительного блока имеет определенный предел, соответствующий ограниченным ресурсам, с которыми термит может столкнуться в природе. Используя эти ограничения, программа строит архитектуру на сетке, а затем эти архитектуры могут быть переведены в 2-D или 3-D физические модели.

"Наша цель - создать неупорядоченные геометрии со свойствами, определяемыми комбинаторным пространством некоторых основных форм, таких как прямая линия, крест или форма "L". Эти геометрические формы затем могут быть напечатаны в 3D с использованием множества различных составляющих материалов в зависимости от требований приложений", - говорит Дарайо.

Отражая хаотичность термитного гнезда, каждая геометрия, созданная программой виртуального роста, уникальна. Изменение доступности L-образных строительных блоков, например, приводит к созданию нового набора структур. Дарайо и его команда экспериментировали с виртуальными входными данными, чтобы сгенерировать более 54 000 смоделированных архитектурных образцов; образцы можно было сгруппировать в группы с различными механическими характеристиками, которые могли бы определять деформацию материала, его жесткость или плотность. Рисуя на графике взаимосвязь между планировкой строительных блоков, доступностью ресурсов и результирующими механическими характеристиками, Дарайо и его команда могут проанализировать основные правила неупорядоченных структур. Это представляет собой совершенно новую основу для анализа материалов и проектирования.

"Мы хотим понять фундаментальные правила проектирования материалов, чтобы затем создавать материалы, обладающие превосходными характеристиками по сравнению с теми, которые мы в настоящее время используем в инженерном деле", - говорит Дарайо. "Например, мы предполагаем создание материалов, которые были бы более легкими, но также более устойчивыми к разрушению или лучше поглощали механические удары и вибрации".

Программа виртуального роста исследует неизведанные границы неупорядоченных материалов, имитируя способ, которым термит строит свое гнездо, вместо того, чтобы копировать конфигурацию самого гнезда. "Это исследование направлено на контроль беспорядка в материалах для улучшения механических и других функциональных свойств с использованием конструкторских и аналитических инструментов, которые ранее не использовались", - говорит Дарайо.