В центре внимания специалистов оказались гифы — микроскопические нити, образующие структурную основу грибов, которые на протяжении миллионов лет эволюционировали, совершенствуя свои механические свойства. Ученые решили выяснить, как именно строение грибов влияет на их способность выдерживать физическое воздействие, и как эти знания можно применить для создания новых, более прочных и адаптивных материалов.
Авторы работы сосредоточились на сравнении двух видов грибов — шампиньона (Agaricus bisporus) и гриба майтаке (Grifola frondosa), известного также как «гриб-гребешок». Шампиньон обладает лишь одним типом гиф и растет без определенного направления. В отличие от него, структура майтаке более сложная и сформирована двумя типами нитей, которые ориентированы в сторону источников влаги и света, что делает гриб более адаптивным к условиям окружающей среды. При помощи сканирующей электронной микроскопии специалисты изучили внутреннюю структуру грибов и провели механические испытания, чтобы определить, насколько хорошо они справляются с различными нагрузками.
Главная цель ученых — не просто описать эти особенности, но использовать их как основу для моделирования новых, более прочных материалов. На первом этапе они создали вычислительную модель на основе трехмерной диаграммы Вороного, которая позволяет точно спрогнозировать механическое поведение структуры. Вторым этапом работы является прямое проектирование: создание на основе модели структур с прогнозируемыми свойствами. Заключительная, самая амбициозная фаза — это обратное проектирование, при котором сначала задаются необходимые механические параметры, а затем система машинного обучения определяет, какая именно структура гиф обеспечит их реализацию.
По мнению доцента Мир Джалила Разави, этот проект во многом стал возможен благодаря достижениям в области искусственного интеллекта. Сложные алгоритмы глубокого обучения позволяют обрабатывать тысячи вариантов расположения и ориентации гиф, чтобы находить наиболее эффективные комбинации: такой объем работ невозможно сделать без помощи нейросетей. ИИ способен предсказывать, как будет вести себя материал под нагрузкой, что открывает путь к созданию принципиально новых материалов на основе биомиметических принципов.
Следующим этапом станет физическая проверка рассчитанных нейросетями моделей. С помощью 3D-печати команда планирует создать образцы с предсказанными структурами и проведет серию испытаний с ними, чтобы оценить соответствие теоретических расчетов реальным характеристикам. В перспективе полученные данные могут стать основой для разработки инновационных материалов, который найдут свое применение в строительстве, авиации, машиностроении и других отраслях, где критически важны прочность и надежность.
Ученые подчеркивают, что природа остается неисчерпаемым источником вдохновения для инженерных решений. Несмотря на многолетнее изучение грибов, анализ их микроструктур только начинается и уже обещает специалистам впечатляющие технологические прорывы.
Ранее специалисты создали уникальный живой материал на основе грибов: он безопасен, устойчив к разложению и может заменить пластик.
