النمل الأبيض يلهم علماء لتصميم مواد جديدة

أجروا محاكاة لأسلوبه في تجهيز هياكل من أشياء متباينة

تل نمل أبيض شوهد في محمية غابورون في بوتسوانا (الفريق البحثي)

ألهم النمل الأبيض باحثين من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، لتصميم مواد جديدة تحاكي القواعد الأساسية المخفية في أنماط نمو الطبيعة، ومحاكاة الطريقة التي يبني بها النمل الأبيض أعشاشه.
وأظهر الباحثون أنه باستخدام هذه القواعد، من الممكن إنشاء مواد مصممة بخصائص محددة قابلة للبرمجة، وتم نشر البحث، الذي قادته كيارا دارايو، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفيزياء التطبيقية والفيزياء التطبيقية، في العدد الأخير من مجلة «ساينس».
وتقول دارايو في تقرير نشره أول من أمس الموقع الرسمي لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: «يبلغ طول النمل الأبيض بضعة ملليمترات فقط، ولكن يمكن أن يصل ارتفاع أعشاشه إلى 4 أمتار، وهو ما يعادل بناء الإنسان لمنزل على ارتفاع جبل (ويتني) في كاليفورنيا، وإذا نظرت داخل عش النمل الأبيض، فسترى شبكة من الهياكل غير المتكافئة والمترابطة، فتجده مصنوعاً من حبيبات الرمل والغبار والأوساخ واللعاب والروث، ورغم أن هذا الهيكل يبدو غير منتظم، لكن الحقيقة أنه مصمم خصيصاً بطريقة تتيح تهوية جيدة».
وتضيف: «اعتقدنا أنه من خلال فهم كيفية مساهمة النمل الأبيض في تصنيع العش، يمكننا تحديد قواعد بسيطة لتصميم المواد المهندَسة بخصائص ميكانيكية فريدة».
والمواد المهندَسة هي مواد صلبة أو مركبة تتكون من لبنات البناء التي يتم تنظيمها بعد ذلك في هياكل ثلاثية الأبعاد، من مقياس النانو إلى مقياس ميكرومتر.
وركز مجال المواد المهندَسة بشكل أساسي على البنى الدورية، حيث تحتوي مثل هذه البنى على خلية وحدة هندسية موحدة، مثل المجسم الثماني أو المكعب، ثم تتكرر خلايا الوحدة هذه لتشكيل بنية شبكية، ومع ذلك، فإن التركيز على الهياكل المنظمة قد حد من وظائف واستخدام المواد المهندَسة.
وتشرح دارايو: «البنى الدورية ملائمة لنا نحن المهندسين لأننا نستطيع وضع افتراضات في تحليل خصائصها، ومع ذلك، إذا فكرنا في التطبيقات، فهي ليست بالضرورة الخيار الأمثل للتصميم، فالهياكل المضطربة، مثل تلك الموجودة في عش النمل الأبيض، هي أكثر انتشاراً في الطبيعة من الهياكل الدورية، وغالباً ما تُظهر وظائف فائقة، ولكن حتى الآن، لم يكتشف المهندسون طريقة موثوقة لتصميمها».
وتقول: «كانت الطريقة الأولى التي تعاملنا بها مع المشكلة هي التفكير في العدد المحدود من موارد النمل الأبيض، فعندما يبني النمل الأبيض عشه، لا يمتلك مخططاً لتصميم العش، ويمكنه فقط اتخاذ قرارات تستند إلى المتاح».
على سبيل المثال، قد يستخدم النمل الأبيض حبيبات الرمل التي يجدها بالقرب من عشه ويلائم الحبيبات معاً باتباع الإجراءات التي تعلمها من النمل الأبيض الآخر، وقد تتناسب حبة الرمل المستديرة مع شكل نصف القمر لزيادة الثبات، ويمكن استخدام هذه القواعد الأساسية للتجاور لوصف كيفية بناء عش النمل الأبيض.
وتوضح: «لقد أنشأنا برنامجاً رقمياً لتصميم المواد بقواعد مماثلة تحدد كيف يمكن أن تلتصق كتلتان مختلفتان من المواد ببعضهما بعضاً».
وهذه الخوارزمية، التي أطلقت عليها دارايو وفريقها البحثي اسم «برنامج النمو الافتراضي»، تحاكي النمو الطبيعي للهياكل البيولوجية، أو تصنيع أعشاش النمل الأبيض.
وبدلاً من حبة رمل أو ذرة من الغبار، يستخدم برنامج النمو الافتراضي مواد هندسية فريدة من نوعها، أو لبنات بناء، بالإضافة إلى إرشادات مجاورة لكيفية ارتباط هذه الكتل الأساسية ببعضها بعضاً.
وتتضمن الكتل الافتراضية المستخدمة في هذا العمل الأولي شكل L، وشكل I، وشكل T، وشكل + a، ويقوم البرنامج ببناء بنية على شبكة، ومن ثم يمكن ترجمة تلك البنى إلى نماذج فيزيائية ثنائية أو ثلاثية الأبعاد.