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德州农工大学新闻

火蚁“木筏”激发工程研究

a drawing of ants linking their legs together
德克萨斯农工大学的研究人员开发的新方法从火蚁的生存行为中汲取灵感。

德克萨斯农工工程

 

最具攻击性、领地性和毒性的蚂蚁物种之一所采用的生存策略可能为彻底改变机器人、医学和工程学铺平道路。

火蚁在洪水中幸存下来,它们的腿暂时连接起来,形成一个类似木筏的结构,使它们能够作为一个统一的蚁群集体漂浮到安全的地方,然后释放以恢复它们各自的形态。德克萨斯农工大学的研究人员从这一自然过程中汲取灵感,发现了一种方法,该方法允许合成材料模仿蚂蚁的自主组装、重新配置和拆卸,以应对环境变化,如热、光或溶剂。

该研究由美国国家科学基金会,陆军研究办公室和德克萨斯农工大学的总统卓越基金资助,发表在《自然材料》上。

研究人员利用了变形聚合物带,这些带可以自组装,改变其体积,并根据需要通过使用响应性水凝胶,液晶弹性体或可以弯曲或扭曲的半结晶聚合物进行分解。

一个可怕但有用的策略

作为一名本科生,现在是德克萨斯农工大学生物医学工程系和材料科学与工程系副教授的泰勒·韦尔博士被一篇关于蚂蚁的文章所吸引。他已经对材料和研究感兴趣,他说,当韦尔发现火蚁在洪水期间采用巧妙的生存策略时,他的好奇心被激发了。

“我们倾向于专注于模仿自然界中真正美妙的事物——比如蝴蝶的翅膀。但也许也值得模仿一些我们在自然界中发现不那么有趣的东西,这些东西仍然非常有用,比如火蚁的行为,“他说。“模仿那些真正令人印象深刻的事物是件好事,即使它们不那么受欢迎。你可以从这样的生物身上学到很多东西。

The shape-changing polymer ribbons can change their volume upon an environmental change, like temperature.
变形聚合物带可以随着环境变化(如温度)而改变其体积。

由 Taylor Ware 提供

这种方法允许在具有挑战性的环境(如人体)中创建和操纵结构,而无需侵入性程序。通过使用响应性水凝胶、液晶弹性体或弯曲和扭曲的半结晶聚合物带,固体生物材料可以分解成像注射液体一样移动的形式,然后在就位后重新组装。

“我们已经有了可以改变形状的材料,但我们认为,如果许多单独的材料颗粒可以像蚂蚁一样一起工作形成结构,那将是非常酷的,”Ware说。“你可以在自然纪录片中看到蚂蚁形成桥梁、木筏和其他东西,但同样重要的是它们可以放手,回到蚂蚁的样子。响应性聚合物的可逆形状变化使纯合成体系中的类似行为成为可能。

该文章的主要作者是 Mustafa Abdelrahman 博士,23 岁,他是 Ware 的前博士生,现在是哈佛大学的博士后研究员。其他合作者包括德克萨斯农工大学生物医学工程系Akhilesh Gaharwar博士小组的研究人员,卡内基梅隆大学的Carmel Majidi博士和科罗拉多大学博尔德分校的Franck Vernerey博士。

未来的应用研究项目包括使用可注射的生物材料来帮助愈合组织。尽管如此,从根本上说,Ware表示,该团队有兴趣模仿其他动物群的行为,并了解如果粒子可以在纠缠之前或期间游泳会发生什么。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://today.tamu.edu/2024/01/04/fire-ant-rafts-inspire-engineering-research/