昆虫通过4D延时成像提供有关材料使用和结构强度的新思路

普渡大学的工程师和昆虫学家正在就蜜蜂如何建造和构造它们的蜂窝做出一些甜蜜的发现，这可能会导致从嗡嗡作响的建造者那里获得新的制造技术。

普渡大学Ransburg材料工程教授NikhileshChawla是最早利用四维(4D)成像进一步研究蜂窝结构复杂性的人之一。成像允许在不切入蜜蜂家的情况下对蜜蜂的工作进行延时观察。

蜜蜂建筑的创新观点发现了最终可以转化为建筑行业结构材料或增材制造新概念的技术。Chawla说，蜂窝单元之间的一些连接是用更少的材料制成的，由此产生的多孔连接类似于瑞士奶酪。

Chawla说：“这是材料利用方面的一堂课，可以用于结构方面的新想法和实践。”“他们的蜂窝仍然非常好。从这个角度来看，人类实际上可能不需要在某些从结构角度来看并不那么重要的区域使用那么多的材料。”

蜂巢是蜜蜂自建的多功能家园，除了提供庇护所外，还提供储存食物的场所、卵和幼虫的育苗场所。由蜜蜂产生的蜡制成，六角形细胞很容易识别。

Chawla的作品展示了人类如何在称为仿生学的学科中从植物和动物世界中吸取重要教训，该学科研究自然发生的材料和行为，并汲取灵感来设计新产品、系统和建筑物。Chawla说蜂窝的某些方面已经用于多种应用，从建筑和结构材料到鞋子。

普渡大学的研究团队由Chawla组成;农学院昆虫学助理教授BrockHarpur;和材料工程研究生研究助理RahulFranklin。他们的工作发表在《先进材料》杂志上。

Chawla说人们并不真正了解蜜蜂是如何制造蜂巢的。例如，大多数理论认为蜂窝室最初是圆柱体，然后被蜜蜂塑造成众所周知的六边形。

但是，复杂的三维(3D)X射线显微技术与时间流逝相结合，提供了一种前所未有的研究和量化蜂窝微观结构的方法。

由此产生的4D成像显示腔室是用面板建造的。研究还发现，蜜蜂不遗余力地通过首先创建一个垂直的脊柱来支撑蜂窝结构，然后水平地构建六边形单元来加强蜂窝结构。

“随着时间的推移，他们继续使脊柱变厚，因为他们知道上面的蜡有更多的重量，并且他们需要脊柱强壮和坚硬，然后才能添加越来越多的向外生长的细胞，”Chawla说.

Chawla的整体研究侧重于四维材料科学。这种称为断层扫描的方法使用非破坏性X射线将时间作为第四维添加到3D测量和分析中。4D方法对于检查结构演变非常重要，包括随时间发生的变形和腐蚀。

向蜜蜂学习只是普渡团队仿生学研究的第一步。接下来是使用3D打印等工具成功应用这些课程。Chawla说，他们计划建造不同尺寸甚至不同形状的蜂窝，并通过压缩测试评估它们的耐用性。

除了蜜蜂，Chawla的仿生学研究还包括研究仙人掌的多孔细胞结构以及液体如何在整个植物中上下移动。

“使用这些天然材料非常有趣，因为你永远不知道你会发现什么，”他说。