يمكن أن يساعد فحص الفطر تحت المجاهر مهندسيهم في تصميم مواد أقوى

التقط فطر زر من السوبر ماركت ويصطف بسهولة بين أصابعك. التقط فطر فئة خشبية من جذع شجرة وستكافح لكسره. ينمو كلا الطرفين من نفس لبنات البناء المجهرية: خيوط-أنابيب الشعر المصنوعة في الغالب من شيتين البوليمر الطبيعي ، وهو مركب صعب موجود أيضًا في قذائف السلطعون.

عندما تفرع تلك الأنابيب ونسجها ، فإنها تشكل شبكة خفيفة الوزن ولكنها قوية بشكل مدهش تسمى mycelium. بدأ المهندسون في التحقيق في هذه الشبكة للاستخدام في المواد الصديقة للبيئة.

ومع ذلك ، حتى داخل عائلة فطر واحد ، يمكن أن تختلف قوة شبكة الفطريات على نطاق واسع. لقد اشتبه العلماء منذ فترة طويلة في أن كيفية ترتيب الواصلة – وليس فقط ما يصنعونه – يحمل مفتاح الفهم ، والسيطرة في نهاية المطاف ، قوتهم. ولكن حتى وقت قريب ، كانت القياسات التي تربط مباشرة الترتيب المجهري بالقوة العيانية نادرة.

أنا دكتوراه هندسية ميكانيكية طالب في جامعة بينغهامتون الذين يدرسون الهياكل المستوحاة من الحيوي. في آخر أبحاثنا ، سألت أنا وزملائي سؤالًا بسيطًا: هل يمكننا ضبط قوة مادة الفطر فقط عن طريق تغيير زاوية خيوطها ، دون إضافة أي مكونات أكثر صرامة؟ الجواب ، كما اتضح ، نعم.

2 نوع صالح للأكل ، العديد من الاختبارات الصغيرة

في دراستنا ، قارن فريقي اثنين من الفطريات المألوفة. الأول كان فطر الزر الأبيض ، الذي يستخدم أنسجةه فقط خيوط رقيقة تسمى خيوط توليدية. والثاني كان مايتاكي ، الذي يطلق عليه أيضًا دجاجة الخشب ، التي تمزج أنسجةها في نوع ثانٍ أكثر سمكا من الخيوط المسمى بالخيوط العظمية. يتم ترتيب هذه الخيوط الهيكلية بالتوازي تقريبًا ، مثل حزم الكابلات.

بعد تجفيف الأغطية والسيقان بلطف لإزالة أي ماء ، والتي يمكن أن تنعم المادة وتشويه النتائج ، قمنا بتكبير المجاهر الإلكترونية المسح واختبر العينات على مقياسين مختلفين للغاية.

أولاً ، قمنا باختبار الضغط على نطاق الكلي. سحق المكبس الذي يحركه المحرك ببطء كل فطر بينما سجلت أجهزة الاستشعار مدى صعوبة دفع العينة إلى الوراء-بنفس الطريقة التي قد تضغط عليها الخطمي ، فقط بدقة المختبر.

ثم ضغطنا على طرف الماس أرق من شعر الإنسان في خيوط فردية لقياس تصلبها.

تصرفت خيوط الفطر الأبيض مثل أشرطة مطاطية ، حيث بلغ متوسطها حوالي 18 ميغاباساسس في صلابة – على غرار المطاط الطبيعي. تم قياس الخيوط الهيكلية السميكة في Maitake حوالي 560 ميغاباسال ، أكثر من 30 مرة أكثر صلابة وتقترب من صلابة البولي إيثيلين عالية الكثافة-البلاستيك الصلب المستخدم في ألواح القطع وبعض أنابيب الماء.

لكن الكيمياء ليست سوى نصف القصة. عندما ضغطنا على قطع كاملة ، كان الاتجاه الذي ضغطنا عليه في الأمر أكثر من أجل Maitake. جعل الضغط بما يتماشى مع خيوطه الهيكلية المتوازية جعل الكتلة أكثر صلابة 30 مرة من الضغط على الحبوب. على النقيض من ذلك ، شعرت الشعيرات المتشابكة في الفطر الأبيض للينة على قدم المساواة من كل زاوية.

فطر رقمي ولف الخيوط

لفصل الهندسة عن الكيمياء ، قمنا بتحويل لقطات من المجهر إلى نموذج كمبيوتر باستخدام شبكة Voronoi ثلاثية الأبعاد – وهو نمط يحاكي الجدران بين الفقاعات في رغوة. فكر في كرات Ping-Pong محشورة في صندوق: كل كرة خلية ، وأصبحت الجدران بين الخلايا خيوطنا المحاكاة.

قمنا بتعيين تلك الخيوط حسب قيم الصلابة المقاسة في المختبر ، ثم قامنا بالتناوب تقريبًا على الشبكة بأكملها إلى زوايا 0 درجة ، و 30 درجة ، و 60 درجة ، و 90 درجة وعشوائية تمامًا.

خيوط أفقية (0 درجة) ترث مثل مرتبة الربيع. تدعم خيوط عمودية (90 درجة) الوزن بحزم مثل الخشب الكثيف. ببساطة ، ضاعف الشبكة إلى 60 درجة تقريبًا تصلبها مقارنةً بدرجة 0 – كل ذلك دون تغيير عنصر كيميائي واحد.

في الأساس ، وجدنا أن التوجه وحده يمكن أن يحول اسفنجة طري إلى شيء يقف لضغط خطير. هذا يشير إلى أن الشركات المصنعة يمكن أن تجعل أجزاء قوية وخفيفة الوزن وقابلة للتحلل – مثل النعال الأحذية ، والتعبئة الواقية وحتى الألواح الداخلية للسيارات – ببساطة عن طريق توجيه كيف تنمو الفطريات بدلاً من الخلط في إضافات أصعب.

مواد أكثر خضرة – وما بعدها

تنمو الشركات الناشئة بالفعل “جلدية” مصنوعة من mycelium – الشبكة الفطرية التي تشبه الخيط – لحقائب اليد ، ورغوة الفطريات كبديل الستايروفوم.

قد يؤدي توجيه الفطريات لوضع خيوطها في الاتجاهات الاستراتيجية إلى دفع الأداء إلى أعلى بكثير ، مما يفتح الأبواب في القطاعات التي تكون فيها نسبة القوة إلى الوزن ملكًا: فكر في نوى السلع الرياضية أو ألواح البناء أو مواد الحشو خفيفة الوزن داخل لوحات الطائرات.

تعمل مجموعة الأدوات الرقمية نفسها أيضًا مع طبقة الطبقة المعدنية أو البوليمرية حسب الطبقة. قم بتبديل خصائص الشعيرة في النموذج ، واترك الخوارزمية تختار أفضل الزوايا ، ثم تغذية هذا التصميم في طابعة ثلاثية الأبعاد.

في يوم من الأيام ، قد يطلب المهندسون تطبيقًا يقول شيئًا مثل ، “أحتاج إلى لوحة قاسية من الشمال والجنوب ولكنها مرنة من الشرق والغرب” ، ويمكن للبرنامج أن يبصق خريطة خيوط مستوحاة من Maitake المتواضع.

تتمثل خطوتنا التالية في إطعام الآلاف من هذه الشبكات الافتراضية في نموذج التعلم الآلي حتى يتمكن من التنبؤ – أو حتى اختراع – تخطيطات خيوط تصل إلى تصلب مستهدف في أي اتجاه.

وفي الوقت نفسه ، يستكشف علماء الأحياء طرقًا منخفضة الطاقة لإقناع الفطريات الحقيقية بالنمو في صفوف أنيقة ، من التوجيه المغذيات باتجاه جانب واحد من طبق بتري إلى تطبيق حقول كهربائية لطيفة تشجع الخيوط على التوافق.

علمتنا هذه الدراسة أنك لا تحتاج دائمًا إلى كيمياء غريبة لصنع مادة أفضل. في بعض الأحيان ، يتعلق الأمر بكيفية تصطفك على نفس الخيوط القديمة – فقط اسأل الفطر.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: محمد خليل إلهشيمي ، جامعة بينغهامتون ، جامعة ولاية نيويورك

اقرأ المزيد:

لا يعمل محمد خليل إلهشيمي من أجل أو استشارة أو استقبال الأسهم في أو تلقي تمويل من أي شركة أو مؤسسة ستستفيد من هذه المقالة ، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة تتجاوز تعيينها الأكاديمي.