受白蟻築巢方式的啟發，加州理工學院（Caltech）的科學家們開發了一個框架來設計新材料，模仿隱藏在大自然生長模式中的基本規則。研究人員證明，通過使用這些規則，有可能創造出具有特定可編程性質的材料。
這項研究於8月26日發表在《科學》雜誌上。該研究由G. Bradford Jones機械工程和應用物理學教授、遺產醫學研究所研究員Chiara Daraio領導。
Daraio說：”白蟻只有幾毫米長，但是它們的巢穴可以高達4米–相當於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部，你會看到一個不對稱的、相互連接的結構網絡，類似於海綿或麵包的內部。由沙粒、泥土、灰塵、唾液和糞便組成，這種無序、不規則的結構看起來很隨意。然而，白蟻的巢穴是專門為穩定和通風而優化的。”
博茨瓦納哈博羅內野生動物保護區內的一個白蟻丘。眾所周知，白蟻可以建造高達30英尺的蟻丘。
Daraio說：”我們認為，通過了解白蟻如何對巢穴的製造做出貢獻，我們可以為設計具有獨特機械性能的建築材料定義簡單的規則。架構材料是由泡沫狀或複合固體組成的構件，然後被組織成三維結構，從納米到微米尺度。到目前為止，架構化材料領域主要集中在周期性架構上。這些架構包含一個統一幾何的單元格，如八面體或立方體，然後這些單元格被重複形成一個晶格結構。然而，專註於有序結構限制了架構材料的功能和使用。”
“周期性架構對我們工程師來說很方便，因為我們可以在分析其特性時做出假設。然而，如果我們考慮到應用，它們不一定是最佳設計選擇，”Daraio說。無序結構，如白蟻的巢穴，在自然界中比周期性結構更普遍，而且往往顯示出卓越的功能，但是，直到現在，工程師們還沒有想出一個可靠的方法來設計它們。
基婭拉-達拉伊奧 資料來源：加州理工學院
Daraio說：”我們最初處理這個問題的方式是考慮到白蟻有限的資源數量。當它築巢時，白蟻沒有整體巢穴設計的藍圖；它只能根據局部規則做出決定。例如，白蟻可能會使用它在巢附近找到的沙粒，並按照從其他白蟻那裡學到的程序將沙粒裝在一起。一個圓形的沙粒可能適合在一個半月形的沙粒旁邊，以增加穩定性。這種基本的相鄰規則可以用來描述如何建造一個白蟻巢穴。”她說：”我們為材料的設計創建了一個數字程序，其中有類似的規則，定義了兩個不同的材料塊如何能夠相互粘連。”
Daraio和團隊將這種算法稱之為”虛擬生長程序”，它模擬了生物結構的自然生長，或白蟻巢的製造過程。虛擬生長程序使用的不是一粒沙子或一粒灰塵，而是獨特的材料的幾何形狀，或建築塊，以及這些建築塊如何相互連接的相鄰準則。在這項初步工作中使用的虛擬塊包括一個L形、一個I形、一個T形和一個+形。此外，每個構件的可用性都有一個明確的限制，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，該程序在網格上構建出一個架構，然後這些架構可以被轉化為二維或三維物理模型。
“我們的目標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。這些幾何形狀然後可以根據應用的要求，用各種不同的構成材料進行3D打印，”Daraio說。
與白蟻巢穴的隨機性相呼應，虛擬生長程序創建的每個幾何形狀都是獨一無二的。例如，改變L型構件的可用性，會產生一組新的結構。Daraio和她的團隊對虛擬輸入進行了實驗，以產生超過54000個模擬的架構樣本。這些樣品可以被歸類為具有不同機械特徵的組，這些機械特徵可能決定了材料的硬度、密度或其變形方式。通過繪製積木式布局、資源可用性和由此產生的機械特徵之間的關係圖，研究小組可以分析無序結構的基本規則。這代表了一個全新的材料分析和工程框架。
“我們希望了解材料設計的基本規則，然後創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，我們設想創造出更輕但也更耐斷裂或更能吸收機械衝擊和振動的材料。”
虛擬生長計劃通過模仿白蟻築巢的方式，而不是複製巢穴本身的構造，探索無序材料的未知領域。”Daraio說：”這項研究的目的是控制材料中的無序狀態，利用以前沒有利用過的設計和分析工具，改善機械和其他功能特性。”