Исследователи изучают строительство пчелиных сот с помощью 4D-визуализации

Инженеры и энтомологи из Университета Пердью изучают, как медоносные пчелы строят и структурируют свои соты. Эти открытия могут привести к новым технологиям производства, вдохновленным насекомыми.

Нихлеш Чавла, профессор материаловедения, одним из первых применил четырехмерную (4D) визуализацию для изучения сложной структуры сот. Этот метод позволяет наблюдать за работой пчел в режиме таймлапса, не разрушая их жилище.

Исследование выявило строительные приемы пчел, которые могут быть использованы для создания новых структурных материалов или технологий аддитивного производства в строительной отрасли. Чавла отметил, что некоторые соединения между ячейками сот создаются с использованием меньшего количества материала, а получившиеся пористые соединения напоминают швейцарский сыр.

"Это урок по использованию материалов, который может привести к новым идеям и практикам в строительстве. Их соты все еще в идеальном состоянии. С этой точки зрения, людям, возможно, не нужно столько материала в некоторых областях, которые не так важны с структурной точки зрения".

Соты — это самовозводимые, многофункциональные дома для пчел, служащие хранилищем пищи, инкубатором для яиц и личинок, а также укрытием. Они сделаны из воска, производимого пчелами, и имеют узнаваемую шестиугольную форму ячеек.

Работа Чавлы демонстрирует, как люди могут извлекать важные уроки из мира растений и животных в рамках дисциплины биомимикрии. Она исследует природные материалы и поведение, чтобы черпать вдохновение для проектирования новых продуктов, систем и зданий. Некоторые аспекты структуры сот уже используются в различных приложениях — от строительных материалов до обуви.

Исследовательская группа из Пердью, в которую вошли Чавла, Брок Харпур (доцент энтомологии) и Рахул Франклин (аспирант), опубликовала свою работу в журнале Advanced Materials.

Чавла отметил, что до сих пор нет полного понимания того, как пчелы строят соты. Например, большинство теорий предполагает, что ячейки изначально имеют цилиндрическую форму, которую пчелы затем преобразуют в шестиугольную.

Однако применение сложной трехмерной (3D) рентгеновской микроскопии в сочетании с таймлапсом предоставило беспрецедентную возможность для изучения и количественной оценки микроструктуры сот.

Полученная 4D-визуализация показала, что камеры строятся из панелей. Исследование также выявило, что пчелы укрепляют структуру сот, сначала создавая вертикальный "позвоночник" для поддержки, а затем достраивая шестиугольные ячейки горизонтально.

"Со временем они продолжают утолщать этот позвоночник, потому что понимают, что на него ложится больший вес от воска. Им нужна эта основа, чтобы быть прочной и жесткой, прежде чем они смогут добавлять все больше и больше ячеек, растущих наружу".

Общее исследование Чавлы сосредоточено на четырехмерном материаловедении. Подход, называемый томографией, использует неразрушающие рентгеновские лучи для добавления времени в качестве четвертого измерения к 3D-измерениям и анализам. Этот 4D-подход важен для изучения структурной эволюции, включая деформацию и коррозию, происходящие с течением времени.

Изучение пчел — это лишь первый шаг в исследованиях команды по биомимикрии. Следующим шагом станет успешное применение этих уроков с помощью таких инструментов, как 3D-печать. Чавла сообщил о планах по созданию сот разных размеров и даже форм с последующей оценкой их прочности с помощью тестов на сжатие.

Помимо медоносных пчел, исследования Чавлы в области биомимикрии включают изучение пористой клеточной структуры кактусов и того, как жидкости перемещаются вверх и вниз по растению.

"Работать с такими природными материалами — это просто очень интересно, потому что никогда не знаешь, что найдешь".

Работа опубликована в журнале Advanced Materials.