火蚁可以教会我们如何制作更好的自修复材料

火蚁会形成木筏来抵御洪水，但这些纽带是如何发挥作用的呢?我们可以从他们身上学到什么?纽约州立大学宾厄姆顿大学的一位教授正在研究这些问题，以扩展我们对材料科学的了解。

当洪水袭击火蚁居住的地区时，它们的生存反应是紧紧抓住在一起，形成一个漂浮的“木筏”，使蚁群保持团结。可以将其视为一种浓缩的自适应材料，其中的构建块(个体蚂蚁)实际上是活的。

宾厄姆顿大学助理教授RobWagner在科罗拉多大学博尔德分校Vernerey软物质力学实验室领导了一项研究，研究人员调查了这些活筏的适应性反应。目标是了解它们如何自主变形和改变其机械性能，然后将最简单和最有用的发现融入人造材料中。

“生命系统一直让我着迷，因为它们实现了我们当前的工程材料无法实现的目标，甚至远远不够，”他说。“我们制造本体聚合物系统、金属和陶瓷，但它们是被动的。这些成分不会像每个生命系统那样储存能量，然后将其转化为机械功。”

瓦格纳认为这种能量的存储和转换对于模仿生命系统的智能和适应性行为至关重要。

在《美国国家科学院院刊》上最新发表的论文中，瓦格纳和他在科罗拉多大学的合著者研究了火蚁筏在拉伸时如何对机械负载做出反应，并将这些筏的响应与动态的、自我的反应进行了比较。愈合聚合物。

“许多聚合物是通过动态键结合在一起的，这些键会断裂，但可以重新形成，”瓦格纳说。“当拉得足够慢时，这些键有时间重组材料，这样它就不会破裂，而是像我们孩子玩的粘液或软冰淇淋一样流动。但是，当拉得非常快时，它更像粉笔一样破裂。由于木筏是由蚂蚁粘在一起的，它们的纽带可能会断裂并重组，所以我和我的同事们认为它们也会做同样的事情。”

但瓦格纳和他的合作者发现，无论他们以什么速度拉动蚁筏，它们的机械反应几乎都是一样的，而且它们永远不会流动。瓦格纳推测，当蚂蚁感受到力量时，它们会本能地收紧并延长它们的抓握时间，因为它们想呆在一起。他们要么拒绝，要么关闭他们的动态行为。

这种当施加力时债券会变得更牢固的现象被称为“捕获债券行为”，它可能会增强群体的凝聚力，这对于生存来说是有意义的。

“当你用一定的力量拉动典型的键时，它们会更快地松开，并且它们的寿命会缩短——你通过拉动它来削弱键。这就是你在几乎所有被动系统中看到的，“瓦格纳说。

“但在生命系统中，由于其复杂性，有时可以在一定范围的外力作用下保持较长时间的捕获键。一些蛋白质自动地机械地做到这一点，但这并不像蛋白质正在做出决定。它们只是以这样的方式排列，当施加力时，它会显示这些锁定或“捕获”的结合位点。”

瓦格纳认为，在工程系统中模仿这些捕捉键可能会导致人造材料在机械应力较高的区域表现出自主的、局部的自我强化。这可以延长生物医学植入物、粘合剂、纤维复合材料、软机器人组件和许多其他系统的使用寿命。

像火蚁筏这样的集体昆虫聚集已经激励研究人员开发具有刺激响应机械性能和行为的材料。今年早些时候，《自然材料》杂志上发表的一篇论文由德克萨斯A&M的WareResponsiveBiomaterials实验室牵头，瓦格纳及其前论文导师FranckJ.Vernerey教授也做出了贡献，该论文展示了由特殊凝胶或称为液晶弹性体的材料制成的带如何能够由于加热而形成线圈，然后相互缠绕形成压缩的固体状结构，其灵感来自于这些蚂蚁

瓦格纳说：“这项工作的自然进展是回答我们如何使这些丝带或其他软构件之间的相互作用像火蚁和一些生物分子相互作用一样在负载下‘捕获’。”