Il ruolo del micelio nella meccanica dei materiali
Un gruppo di ricerca guidato da Binghamton University e University of California – Merced ha focalizzato la propria attenzione sulla rete di filamenti che costituisce il micelio dei funghi. Questi filamenti, detti ife, si intrecciano all’interno del corpo del fungo e conferiscono al tessuto proprietà di resistenza e duttilità. Nel caso dell’Agaricus bisporus (il comune champignon) le ife crescono con orientamento casuale, mentre nel Grifola frondosa (Maitake) si distinguono due famiglie di filamenti che reagiscono in modo differente a luce e umidità. Analizzando queste strutture con microscopi a scansione elettronica e sottoponendole a prove di carico, i ricercatori mirano a riprodurre in ambiente digitale i meccanismi di distribuzione delle sollecitazioni.
Dalla microscala alla simulazione numerica
Nel primo stadio dello studio, coordinato dal dottorando Mohamed Khalil Elhachimi del Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science, è stato realizzato un modello agli elementi finiti capace di riprodurre il comportamento meccanico delle ife sotto compressione e flessione. A seguire, il team ha validato le previsioni del software confrontandole con i risultati sperimentali. Questo approccio permette di correlare parametri quali modulo di elasticità, resistenza a rottura e assorbimento d’energia alle caratteristiche geometriche dei filamenti.
Progettazione inversa e apprendimento automatico
L’assistente professore Mir Jalil Razavi descrive la fase finale come «progettazione inversa»: è sufficiente indicare le prestazioni meccaniche desiderate, e un modello di deep learning elabora la configurazione di ife che le garantisce. Grazie alla tessellazione di Voronoi in 3D, il software può generare strutture cellulari complesse basate su migliaia di filamenti con posizioni e orientamenti differenti. L’addestramento del modello richiede l’esecuzione di decine di migliaia di simulazioni, attività resa efficiente dai progressi nell’elaborazione parallela su GPU.
Applicazioni nel settore dell’additive manufacturing
Il potenziale introdotto da questo lavoro va oltre l’ambito accademico. Le informazioni derivate dalle analisi dei ricercatori di Binghamton e UC Merced possono essere integrate nei software di preparazione alla stampa 3D per generare materiali cellulari capaci di assorbire urti, ridurre il peso strutturale e aumentare la resistenza a fatica. Tali proprietà sono particolarmente apprezzate nell’industria aerospaziale, dove la minimizzazione della massa è cruciale, e nelle costruzioni, per realizzare pannelli con elevata capacità di isolamento meccanico.
Prospettive e prossimi sviluppi
Il passo successivo prevede l’estensione del modello agli elementi finiti per simulare comportamenti dinamici, come urti ad alta velocità o vibrazioni ripetute, così da validare le prestazioni in condizioni operative estreme. Parallelamente, il team esplorerà altre specie fungine, alla ricerca di microstrutture ancora più sofisticate. L’utilizzo di tecniche di machine learning applicate a database di immagini al microscopio elettromagnetico offrirà nuove opportunità per automatizzare la segmentazione delle ife e velocizzare il ciclo di progettazione inversa.
