[論文レビュー] Robust Myco-Composites as a Platform for Versatile Hybrid-Living Structural Materials

Sabrina C. Shen, Nicolas A. Lee+5 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2023

Plant and Biological Electrophysiology Studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、間接接種と階層的複合材料設計を用いて、頑丈でスケーラブルかつ幾何学的に複雑なミココンポジットを製造する、画期的な高解像度の付加製造プラットフォームを紹介する。この手法により、報告された中で最も強度の高いミセリウムベースのコンポジットが実現され、機械的および表面特性を調整可能にし、折りたたみ可能なバイオ溶接容器や柔軟なテキスタイルへの応用を示している。

ABSTRACT

Fungal mycelium, a living network of filamentous threads, thrives on lignocellulosic waste and exhibits rapid growth, hydrophobicity, and intrinsic regeneration, offering a potential means to create next-generation sustainable and functional composites. However, existing hybrid-living mycelium composites (myco-composites) are tremendously constrained by conventional mold-based manufacturing processes, which are only compatible with simple geometries and coarse biomass substrates that enable gas exchange. Here we introduce a class of structural myco-composites manufactured with a novel platform that harnesses high-resolution biocomposite additive manufacturing and robust mycelium colonization with indirect inoculation. We leverage principles of hierarchical composite design and selective nutritional provision to create a robust myco-composite that is scalable, tunable, and compatible with complex geometries. To illustrate the versatility of this platform, we characterize the impact of mycelium colonization on mechanical and surface properties of the composite, finding that it yields the strongest mycelium composite reported to date, and demonstrate fabrication of unique foldable bio-welded containers and flexible mycelium textiles. This study bridges the gap between biocomposite and hybrid-living materials research, opening the door to advanced structural mycelium applications and demonstrating a novel platform for development of diverse hybrid-living materials.

研究の動機と目的

• ハイブリッド・リビング・ミココンポジットにおける従来の金型ベース製造の制限を克服すること。これは、幾何学的形状と基板の複雑さを制限する。
• 複雑な形状と調整可能な機械的特性を有するミセリウムベースのコンポジットを、スケーラブルかつ高解像度で製造すること。
• 構造材料における生きた生物学的成分の統合を支援する、頑丈なミセリウムの定着を実現するプラットフォームの開発。
• 制御された栄養供給と構造的設計を通じて、高度で多機能なハイブリッド・リビング材料の実現可能性を示すこと。
• 次世代の持続可能な構造応用のため、バイオコンポジット工学とリビング材料研究のギャップを埋めること。

提案手法

• リグノセルロースバイオマス基板を用いて、複雑な3次元幾何形状を高解像度で付加製造するバイオコンポジット技術の採用。
• 複雑な構造物全体にわたる頑丈で均一なミセリウムの定着を保証するため、間接接種の実装。
• 荷重伝達と機械的性能を最適化するため、階層的複合材料設計の原則の適用。
• 空間的ミセリウム成長を誘導し、構造的統合を強化するため、選択的栄養供給の実施。
• 再生能力と機能的応答性を可能にするために、合成コンポジットマトリックスに生きたミセリウムネットワークを統合。
• 実製品の機械的特性と表面特性の評価を通じて、材料性能の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度の付加製造は、頑丈なミセリウムの定着を実現する複雑でスケーラブルなミココンポジットの製造を可能にするか？
• RQ2 選択的栄養供給は、ハイブリッド・リビング・ミココンポジットの機械的および表面特性にどのように影響するか？
• RQ3 この新プラットフォームを用いたミセリウムベースのコンポジットで達成可能な最大の機械的強度は何か？
• RQ4 このプラットフォームは、折りたたみ可能なバイオ溶接容器や柔軟なテキスタイルといった機能的で多機能な構造物の作成を可能にするか？
• RQ5 このプラットフォームは、従来の金型ベースのミココンポジット製造における幾何学的および材料的制限をどの程度克服できるか？

主な発見

• 開発されたミココンポジットは、これまで報告された中で最も高い強度を示すミセリウムベースのコンポジットである。
• 高解像度の付加製造により、従来の金型ベース法では達成できなかった複雑で幾何学的に精巧な構造物の製造が可能になった。
• 間接接種により、密度が高く複雑な幾何形状であっても、一貫性があり頑丈なミセリウムの定着が保証された。
• 制御された栄養供給により、ミセリウム成長の空間的チューニングが可能となり、直接的に機械的および表面特性に影響を与えた。
• 折りたたみ可能なバイオ溶接容器と柔軟なミセリウムテキスタイルが成功裏に製造され、機能的多様性が実証された。
• このプラットフォームは、スケーラブルでチューニング可能かつ持続可能なハイブリッド・リビング構造材料の製造を支援し、内在的な再生能力を有する。