火蚁可以教会我们如何制作更好的自修复材料

实验测试火蚁筏在拉伸时对机械载荷的反应。来源：Robert Wagner

　　火蚁形成木筏以在洪水中生存，但这些纽带是如何工作的?我们能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，以扩大我们对材料科学的了解。

　　当洪水袭击火蚁生活的地区时，它们的生存反应是紧紧地绑在一起，形成一个漂浮的“木筏”，使群落保持团结。把它想象成一种浓缩的、适应性强的材料，其中的构建块——单个蚂蚁——实际上是活着的。

　　宾厄姆顿大学助理教授Rob Wagner作为科罗拉多大学博尔德分校Vernerey软质力学实验室的一部分领导了一项研究，研究人员在该研究中调查了这些活筏的适应性反应。目标是了解它们是如何自主变形和改变机械性能的，然后将最简单、最有用的发现融入人造材料中。

　　他说：“生命系统一直让我着迷，因为它们实现了我们目前的工程材料无法实现的东西，甚至无法接近。”。“我们制造大块聚合物系统、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。”

火蚁组成木筏在洪水中生存。来源：Robert Wagner

　　Wagner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。科罗拉多大学的Wagner和他的合著者在《美国国家科学院院刊》上发表的最新文章中，研究了火蚁筏在拉伸时对机械载荷的反应，并将这些筏的反应与动态自修复聚合物进行了比较。

　　Wagner说：“许多聚合物是通过动态键连接在一起的，这些键会断裂，但也会发生变化。”。“当拉得足够慢时，这些键有时间重组材料，使其像我们的孩子玩的黏液或软冰淇淋一样流动，而不是破裂。不过，当拉得很快时，它会像粉笔一样破裂。由于木筏是由蚂蚁相互紧贴在一起的，它们的键可以破裂并重新形成。所以，我和我的同事们认为他们也会这么做。”

　　但Wagner和他的合作者发现，无论他们拉蚂蚁筏的速度如何，它们的机械反应几乎相同，而且从来没有流动过。Wagner推测，当蚂蚁感到力量时，它们会反射性地收紧并延长它们的控制力，因为它们想呆在一起。它们要么调低音量，要么关闭动态行为。

　　当力施加在它们身上时，这种结合会变得更强的现象被称为捕捉结合行为，它可能会增强群体的凝聚力，这对生存有意义。

　　Wagner说：“当你用一定的力拉上典型的键时，它们会更快地松开，它们的寿命也会缩短——你通过拉它来削弱键。这几乎是你在任何被动系统中看到的。”。

　　“但在生命系统中，由于其复杂性，有时会有捕获键在一定范围的力作用下保持更长的时间。有些蛋白质是机械地、自动地做到这一点的，但这并不是蛋白质在做出决定。它们只是以这样的方式排列，当施加力时，它会显示出这些锁住或‘捕获’的结合位点。”

　　Wagner认为，在工程系统中模拟这些捕获键可能会导致人造材料在较高机械应力的区域表现出自主、局部的自我强化。这可以提高生物医学植入物、粘合剂、纤维复合材料、软机器人组件和许多其他系统的寿命。

　　像火蚁筏这样的集体昆虫群落已经激励研究人员开发出具有刺激响应机械性能和行为的材料。

　　今年早些时候，得克萨斯农工大学Ware Responsive Biomaterials Lab在《自然材料》杂志上发表了一篇论文，其中包括Wagner和他的前论文顾问Franck J.Vernerey教授的贡献。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状物如何因加热而卷曲，然后相互缠绕，形成受这些蚂蚁启发的凝聚的固体状结构

　　Wagner说：“这项工作的一个自然进展是回答我们如何让这些带状物或其他软构建块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’。”。

　　更多信息：Robert J.Wagner等人，《捕获键动力学有助于负载下火蚁筏的内聚力》，《美国国家科学院院刊》(2024)。