[논문 리뷰] Robust Myco-Composites as a Platform for Versatile Hybrid-Living Structural Materials

Sabrina C. Shen, Nicolas A. Lee외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 20.

Plant and Biological Electrophysiology Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 간접 인화와 계층적 복합재 설계를 활용하여 내구성 있고 스케일러블하며 기하학적으로 복잡한 박테리아-복합재를 제작하기 위한 혁신적인 고해상도 적층 제조 플랫폼을 소개한다. 이 방법은 지금까지 보고된 바 중에서 가장 강도가 높은 균사 기반 복합재를 가능하게 하며, 기계적 및 표면 특성을 조절할 수 있고, 접을 수 있는 생물 용접기구 및 유연한 섬유소를 포함한 응용 분야를 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드-생명체 균사 복합재에서 전통적인 몰드 기반 제조 방식의 한계를 극복하기 위해 기하학적 형태와 기질의 복잡성을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 기하학적으로 복잡한 형태와 조절 가능한 기계적 특성을 지닌 균사 기반 복합재의 스케일러블하고 고해상도 제조를 가능하게 하기 위해.
• 생물학적 구성 요소를 포함한 내구성 있는 균사 식민지 형성과 구조적 재료 내에서의 功能 통합을 지원하는 플랫폼을 개발하기 위해.
• 제어된 영양 공급과 구조적 설계를 통해 고도로 기능적인 하이브리드-생명체 재료를 제작할 수 있는 가능성에 대한 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 다음 세대의 지속 가능한 구조적 응용을 위한 생물 복합재 공학과 생명체 재료 연구 간 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• lignocellulosic 생물질 기반 기초를 사용하여 고해상도 생물 복합재 적층 제조를 통해 기하학적으로 복잡한 3차원 기하 형태를 제작하기 위해.
• 복잡한 구조물 전역에 걸쳐 균사 식민지 형성이 강력하고 균일하도록 보장하기 위해 간접 인화 기법을 적용하기 위해.
• 하중 전달과 기계적 성능 최적화를 위해 계층적 복합재 설계 원리를 적용하기 위해.
• 균사 성장의 공간적 조절을 가능하게 하여 구조적 통합을 향상시키기 위해 선택적 영양 공급을 적용하기 위해.
• 생합성 복합재 매트릭스에 살아있는 균사 네트워크를 통합하여 재생 및 기능적 반응성을 가능하게 하기 위해.
• 제작된 프로토타입의 기계적 시험과 표면 특성 분석을 통해 재료 성능을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 적층 제조는 내구성 있는 균사 식민지 형성과 함께 복잡하고 스케일러블한 균사 복합재의 제조를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 선택적 영양 공급은 하이브리드-생명체 균사 복합재의 기계적 및 표면 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 새로운 플랫폼을 사용하여 균사 기반 복합재에서 도달할 수 있는 최대 기계적 강도는 얼마인가?
• RQ4 이 플랫폼은 접을 수 있는 생물 용접기구와 같은 기능성 다기능 구조물, 그리고 탄력성 있는 섬유소의 제작을 지원할 수 있는가?
• RQ5 기존 몰드 기반 균사 복합재 제조 방식의 기하학적 및 재료적 제약을 이 플랫폼이 어느 정도 극복할 수 있는가?

주요 결과

• 개발된 균사 복합재는 지금까지 보고된 바 중에서 가장 높은 강도를 지닌 균사 기반 복합재를 나타낸다.
• 고해상도 적층 제조 기술은 이전에 몰드 기반 방법으로는 달성할 수 없었던 기하학적으로 복잡한 구조물을 제작할 수 있게 한다.
• 간접 인화 기법은 조밀하고 복잡한 기하 형태에서도 일관되고 강력한 균사 식민지 형성을 보장한다.
• 제어된 영양 공급은 균사 성장의 공간적 조절을 가능하게 하며, 직접적으로 기계적 및 표면 특성에 영향을 미친다.
• 접을 수 있는 생물 용접기구와 탄성 있는 균사 섬유소가 성공적으로 제작되었으며, 이는 기능적 유연성을 입증한다.
• 이 플랫폼은 내재된 재생 능력을 지닌 스케일러블하고 조절 가능하며 지속 가능한 하이브리드-생명체 구조 재료의 제조를 지원한다.