Om nieuwe materialen te ontwerpen, zoeken wetenschappers inspiratie in de levende natuur. In Californië kijken ze de kunst af van termieten, die metershoge heuvels bouwen om in te wonen en zich voort te planten.

Om te leren van de prachtige en efficiënte bouwstijl van de insecten, is het belangrijk om te snappen hoe de termieten samenwerken. Welke fundamentele regels zitten er verborgen in de groeipatronen van de natuur? Als je deze simpele regels kunt definiëren, is het mogelijk om allerlei bouwwerken te simuleren en analyseren met behulp van een stevige portie computerkracht.

Onregelmatig, ongeordend, optimaal
“Termieten zijn slechts enkele millimeters lang, maar hun nesten kunnen wel vier meter hoog worden – het equivalent van een mens die een huis bouwt zo hoog als Mount Whitney in Californië (of de Mont Blanc in Frankrijk, red.)”, zegt hoogleraar werktuigbouwkunde en toegepaste natuurkunde Chiara Daraio van het California Institute of Technology in Pasadena. Als je in een termietennest kijkt, zie je een netwerk van asymmetrische, onderling verbonden structuren, zoals de binnenkant van een brood of een spons is opgebouwd. Deze ongeordende, onregelmatige structuur bestaande uit zandkorrels, stof, vuil, slijm en mest lijkt opgestapeld zonder plan, maar niets is minder waar. Een termietennest is een doordachte structuur, die erg stabiel is en waar de lucht optimaal kan ventileren.

Daraio focust zich in haar werk op zogenaamde ‘architectonische materialen’ als bouwstenen van driedimensionale structuren op nano- of microschaal. Tot nu toe heeft het vakgebied van architectonische materialen zich voornamelijk gericht op structuren, opgebouwd uit geometrische vormen, zoals een octaëder of kubus (‘periodieke architecturen’). Deze cellen worden dan herhaald en aan elkaar geplakt om zo een roosterstructuur te vormen. Maar nu blijkt dat de focus op geordende structuren alleen te eenzijdig is geweest. Het is de hoogste tijd om ons te laten inspireren door de onregelmatige patronen van de natuur.

De termiet begrijpen
“We hoopten simpele regels te kunnen definiëren voor het ontwerpen van de architectonische materialen, elk met unieke mechanische eigenschappen. We keken daarbij naar het individu en probeerden te begrijpen hoe een termiet bijdraagt aan de fabricage van het nest”, vertelt Daraio, wier studie in vakblad Science verscheen.

“Periodieke architecturen zijn handig voor ingenieurs omdat vrij simpel valt te berekenen welke eigenschappen ze hebben. Maar in de praktijk zijn ze niet altijd de optimale optie bij het ontwerpen van nieuwe materialen”, legt Daraio uit. Ongeordende structuren, zoals die van een termietennest, komen vaker voor in de natuur dan periodieke structuren. Ze blijken dan ook vaak de beste keus, maar tot nu toe hadden ingenieurs nog geen kaas gegeten van de ontwerpregels.

“De manier waarop we het probleem voor het eerst benaderden, was door het beperkte aantal grondstoffen van een termiet in ogenschouw te nemen”, zegt Daraio. Wanneer de termiet zijn nest bouwt, heeft hij geen blauwdruk van het nestontwerp uitgerold voor zijn neus liggen. Hij kan alleen beslissingen nemen op basis van simpele regels.

Ronde zandkorrel past in halvemaanvorm
Een termiet kan bijvoorbeeld zandkorrels gebruiken die hij in de buurt van zijn nest vindt en de korrels aan elkaar plakken op een manier die hij heeft geleerd van andere termieten. Een ronde zandkorrel past mooi naast een halvemaanvormige korrel, want dat zorgt voor meer stabiliteit. Dergelijke basisregels op lokaal niveau kunnen worden gebruikt om te beschrijven hoe een termietennest moet worden gebouwd. “We hebben een algoritme voor materiaalontwerp gemaakt met vergelijkbare regels, die bepalen hoe twee verschillende materiaalblokken aan elkaar kunnen hechten”, aldus Daraio.

Dit ‘virtuele groeiprogramma’ simuleert de natuurlijke groei van biologische structuren, zoals de bouw van termietennesten. De virtuele blokken die hierin worden gebruikt, omvatten een L-vorm, een I-vorm, een T-vorm en een plus-vorm. Bovendien is de beschikbaarheid van elke bouwsteen niet onbeperkt. Elk soort blok krijgt een bepaalde limiet, want een termiet heeft maar een beperkte hoeveelheid grondstoffen voor handen. Met behulp van deze beperkingen bouwt het programma een architectuur op een raster uit. Vervolgens kunnen die architecturen worden vertaald naar fysieke 2D- of 3D-modellen.

Superieure structuren uit de 3D-printer
“Ons doel is om ongeordende geometrieën te genereren met behulp van enkele simpele vormen, zoals een rechte lijn, een kruis of een ‘L’-vorm. Deze structuren kunnen vervolgens in 3D worden geprint. Er kunnen allerlei verschillende materialen – schuimachtig, keihard of elastisch – voor worden gebruikt. Dat is afhankelijk van de toepassing van het ontwerp”, zegt Daraio.

Verander je bijvoorbeeld de beschikbaarheid van L-vormige bouwstenen, dan resulteert dat in een heel nieuwe set constructies. Daraio en haar team experimenteerden met de virtuele inputs en genereerden zo meer dan 54.000 verschillende ontwerpen. Ze speelden met verschillende stijfheden, dichtheden en vervorming van de materialen.

“We willen de fundamentele regels van het ontwerp van materialen begrijpen, zodat we ontwerpen kunnen verzinnen die superieur zijn aan de materialen die we momenteel gebruiken in de techniek”, zegt Daraio. “Hierbij denken we bijvoorbeeld aan materialen die lichter zijn, maar ook minder snel breken, of het ontwerpen van een materiaal dat extreem goed is in het absorberen van mechanische schokken en trillingen.”