Как структура грибов помогает создавать сверхпрочные материалы

Грибы не только украшают лес, но и подсказывают, как создавать прочные и «умные» материалы будущего. Американские ученые расшифровывают, как крошечные грибные нити выдерживают механическую нагрузку — и что из этого может получиться.

Микроскопические грибные нити не просто держат гриб в куче — они подсказывают, как проектировать материалы, которые сами знают, где быть прочнее. Исследователи видят в их структуре подсказки для создания «умных» конструкций, которые реагируют на нагрузку, как живой организм

Источник: Unsplash

В журнале Advanced Engineering Materials вышла статья исследователей из Университета Бингемтона и Калифорнийского университета в Мерседе. Ученые изучили, как микроскопические нити грибов, называемые гифами, формируют структуру и придают ей прочность. Это может лечь в основу создания новых материалов, способных выдерживать значительные нагрузки.

В работе сравнивались два вида: обыкновенный шампиньон, чья структура довольно хаотична, и майтаке, гриб с двумя типами гиф и четкой ориентацией роста в сторону света и влаги. С помощью сканирующей электронной микроскопии ученые оценили, как строение влияет на поведение грибов под давлением.

3D-тесселяция Вороного — это начальный шаг в разработке модели конечных элементов, вычислительной структуры, которая позволяет проводить тестирование и анализ механических свойств для дальнейшего исследования грибов

Источник: Binghamton University

Следующий этап — создание компьютерной модели, способной прогнозировать свойства материала по его микроструктуре. На этом пути исследователи используют 3D-тесселяцию Вороного — способ разбиения пространства на области — и конечные элементы, то есть части модели для анализа напряжений.

После этого команда применит обратное проектирование: модель машинного обучения сначала определит нужные свойства, а потом «придумает» подходящую структуру, которую можно напечатать на 3D-принтере и протестировать.

Команда ученых обучает нейросеть понимать язык грибных структур — чтобы предсказывать, как они себя поведут, и даже «сочинять» новые материалы по заданным свойствам. Это не просто биомиметика, это симбиоз природы, математики и машинного интеллекта

Источник: Unsplash

Как подчеркнул доцент Мир Джалил Разави, только с помощью современных алгоритмов ИИ можно рассчитать и предсказать поведение десятков тысяч нитей. Это открывает путь к новым разработкам в строительстве и авиации. У природы, добавляет он, все еще есть чему поучиться.

Грибы продолжают удивлять ученых не только своими уникальными механическими свойствами, но и загадками биологии, которые порой напоминают сюжеты фантастических сериалов. Ранее Наука Mail рассказала, насколько реален сценарий грибковой пандемии, подобной показанной в популярном сериале про зомби — ученые из Перми подробно разобрали, есть ли у нас шанс против подобных угроз.