题记：受白蚁筑巢方式的启发，加州理工学院（Caltech）的科学家开发了一个框架，以设计模仿自然界生长模式中隐藏的基本规则的新材料。研究人员证明，通过使用这些规则，可以创建具有特定可编程特性的材料。“白蚁只有几毫米长，但它们的巢穴可以高达4米，相当于一座人建造的与加州惠特尼山一样高的房子。”如果你仔细观察白蚁巢穴，你会看到一个不对称的、相互连接的结构网络，类似于海绵或面包的内部。由沙粒、污垢、灰尘、唾液和粪便组成，这种无序、不规则的结构看起来是任意的。然而，白蚁巢穴特别优化了稳定性和通风性。大自然永远是人类的导师！建筑材料通过编程可以按照要求提前预制出来，这样可以大大加速建筑的建设速度。

加州理工学院的研究人员开发了一个框架，用来设计模仿自然界生长模式中隐藏的基本规则的新材料。图片来源：加州理工学院

受白蚁筑巢方式的启发，加州理工学院（Caltech）的科学家开发了一个框架，以设计模仿自然界生长模式中隐藏的基本规则的新材料。研究人员证明，通过使用这些规则，可以创建具有特定可编程特性的材料。

这项研究于8月26日发表在《科学》杂志上。该研究由机械工程和应用物理教授Chiara Daraio、G.Bradford Jones和传统医学研究所研究员领导。

Daraio说：“白蚁只有几毫米长，但它们的巢穴可以高达4米，相当于一座人建造的与加州惠特尼山一样高的房子。”如果你仔细观察白蚁巢穴，你会看到一个不对称的、相互连接的结构网络，类似于海绵或面包的内部。由沙粒、污垢、灰尘、唾液和粪便组成，这种无序、不规则的结构看起来是任意的。然而，白蚁巢穴特别优化了稳定性和通风性。

博茨瓦纳哈博罗内禁猎区的一个白蚁丘。众所周知，白蚁能建造高达30英尺的土堆。图片来源：Oratile Leipego

Daraio说：“我们认为，通过了解白蚁是如何建造巢穴的，我们就可以定义设计具有独特机械性能的建筑材料的简单规则。”建筑材料是由泡沫状或复合固体组成的建筑块，然后被组织成从纳米到微米的三维结构。到目前为止，建筑材料领域主要关注周期性建筑。这些结构包含一个统一的几何单位单元，如八面体或立方体，然后重复这些单位单元以形成晶格结构。然而，关注有序结构限制了建筑材料的功能和使用。

Daraio 说，“周期性架构对我们这些工程师来说很方便，因为我们可以在分析它们的属性时做出假设。然而，如果我们考虑到应用程序，它们并不一定是最优的设计选择。”无序的结构，比如白蚁巢，在自然界中比周期性结构更普遍，通常表现出优越的功能，但到目前为止，工程师们还没有想出可靠的方法来设计它们。

Daraio说：“我们首先解决这个问题的方法是考虑到白蚁的资源有限。”当白蚁筑巢时，它并没有一个完整的巢穴设计蓝图；它只能根据当地规则作出决定。例如，一只白蚁可能会使用它在巢穴附近找到的沙粒，并按照从其他白蚁那里学到的程序将沙粒装配在一起。圆形沙粒可以接近半月形状，以增加稳定性。这些基本的邻接规则可以用来描述如何建造白蚁巢穴。她说：“我们创建了一个用于材料设计的数字程序，使用类似的规则来定义两个不同的材料块如何相互粘附。”

这种算法，Daraio和团队称之为“虚拟生长程序”，模拟了生物结构的自然生长，或白蚁巢穴的建造。虚拟生长程序使用独特的材料几何形状或构造块，而不是一粒沙子或一粒灰尘，以及这些构造块如何相互连接的相邻准则。此初始工作中使用的虚拟块包括L形、I形、T形和+形。此外，每个构建块的可用性都有一个明确的限制，与白蚁在自然界可能遇到的有限资源类似。使用这些约束，程序在网格上构建一个架构，然后这些架构可以转换为2D或3D物理模型。

Daraio说：“我们的目标是生成具有由一些基本形状的组合空间定义的特性的无序几何图形，例如直线、十字或‘L’形。然后，根据应用的要求，可以使用各种不同的构成材料对这些几何图形进行3D打印。”

虚拟生长程序创建的每个几何体都是唯一的，这反映了白蚁巢穴的随机性。例如，更改L形构建块的可用性会产生一组新的结构。

Daraio和她的团队对虚拟输入进行了实验，生成了54000多个模拟架构样本。这些样品可以分成具有不同机械特性的组，这些力学特性可能决定材料的刚度、密度或变形方式。通过绘制积木布局、资源可用性和由此产生的机械特征之间的关系，研究团队可以分析无序结构的基本规则。这代表了一个全新的材料分析和工程框架。

Daraio说：“我们想了解材料设计的基本规则，然后创造出比我们目前在工程中使用的材料性能更好的材料。”“例如，我们设想创造出更轻、更耐断裂或更能吸收机械冲击和振动的材料。”

虚拟生长项目通过模拟白蚁筑巢的方式，而不是复制巢穴本身的结构，探索无序材料的未知领域。Daraio说：“这项研究旨在利用以前未开发的设计和分析工具，控制材料中的无序状态，以改善机械和其他功能特性。”