R.E.News future Technology-Fungi, Filaments and the Future of Materials

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Champignons, filaments et matériaux de l'avenir

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Et si les matériaux de construction de demain jaillissaient du sol forestier ? On croirait entendre un roman de science-fiction, mais les secrets microscopiques cachés dans les champignons pourraient bien constituer la prochaine avancée majeure des matériaux manufacturés. Des chercheurs de l'Université de Binghamton et de l'Université de Californie à Merced dévoilent ces secrets en utilisant les mécanismes évolutifs de la nature pour développer des matériaux plus intelligents et plus résistants aux contraintes.

Leur dernière étude, publiée dans Advanced Engineering Materials, explore le génie structurel des champignons. Elle explore plus précisément les réseaux d'hyphes qui confèrent aux champignons leur résistance, leur flexibilité et leur remarquable adaptabilité. Ces découvertes pourraient transformer notre approche de la conception des matériaux pour les secteurs soumis à de fortes contraintes comme la construction et l'aérospatiale.
Le plan de la force de la nature

Les champignons ont une longueur d'avance. Après des millions d'années de perfectionnement de leur stratégie de survie, ils ont développé des systèmes cellulaires qui équilibrent élégamment résilience et flexibilité. Les chercheurs se sont concentrés sur les hyphes, ces structures filiformes et fines qui constituent l'ossature structurelle des champignons.

« Nous avons étudié la façon dont ces filaments se tordent et se ramifient pour répondre au stress », explique Mohamed Khalil Elhachimi, doctorant et auteur principal de l'étude. « Ils contrôlent la déformation et la récupération des champignons, offrant des indices précieux pour la fabrication de meilleurs matériaux synthétiques. »

Pour approfondir le sujet, l'équipe a utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) pour analyser les structures cellulaires de deux espèces de champignons : Agaricus bisporus (le champignon de Paris) et Grifola frondosa (le champignon maitaké, plus complexe).

Le champignon de Paris présente un système de filaments uniformes et orientés de manière aléatoire. En revanche, le maitaké possède deux types d'hyphes disposés de manière directionnelle pour optimiser la croissance face à la lumière et à l'humidité. Cette croissance directionnelle confère des capacités uniques de gestion du stress, le système à double filament du maitaké se révélant nettement plus sophistiqué. Modélisation computationnelle inspirée des champignons

Forte de ses connaissances biologiques, l'équipe va maintenant simuler ces comportements fongiques dans le monde numérique. Cela implique de construire un modèle par éléments finis pour tester et prédire le comportement des structures basées sur des réseaux hyphaux sous contrainte.

« Une fois le modèle obtenu, nous pouvons le rétroconcevoir », explique Elhachimi. « Nous commençons par spécifier les propriétés mécaniques souhaitées, et l'IA détermine la structure qui les produit.»

Cette évolution vers la conception inverse pourrait transformer radicalement la façon dont les matériaux sont développés. Plutôt que de partir d'un matériau et de mesurer ses propriétés, les chercheurs pourront concevoir en partant de l'objectif final, un exploit rendu possible uniquement par les progrès de l'apprentissage profond.
Apprentissage profond et révolution du design

Le rôle de l'IA dans ce processus est crucial. Le professeur adjoint Mir Jalil Razavi a souligné que les modèles d'apprentissage profond permettent désormais aux chercheurs de simuler des dizaines de milliers de filaments simultanément.

« Ce type de simulation serait tout simplement impossible à réaliser manuellement. L'IA gère la complexité, nous offrant la flexibilité nécessaire pour explorer des espaces de conception immenses en un temps record », a déclaré Razavi.

L'entraînement de ces modèles, bien sûr, n'est pas une sinécure. L'équipe prévoit d'alimenter ses simulations avec des données expérimentales issues de matériaux générés en laboratoire. Ces structures biomimétiques seront imprimées en 3D à partir de conceptions générées par l'IA et soumises à des tests de résistance rigoureux. Cette boucle de conception, d'impression et de tests permettra d'affiner à la fois les modèles et les matériaux.
Là où les champignons rencontrent l'industrie

Ce n'est pas seulement théorique. Les implications pour les applications concrètes sont considérables. Une fois les modèles d'IA et les tests physiques alignés, la méthodologie pourrait être appliquée à la conception de nouveaux matériaux dans des industries exigeant une excellence mécanique sous pression.

Pensez à des composants aérospatiaux plus légers mais plus résistants, ou à des matériaux de construction qui se plient sans se rompre lors d'événements sismiques. Le potentiel de création de matériaux alliant résistance, flexibilité et durabilité est ce qui passionne le plus l'équipe.

« Il ne s'agit pas seulement de remplacer les plastiques ou les métaux », a déclaré Razavi. « Nous parlons d'inventer des classes de matériaux entièrement nouvelles, basées sur l'architecture des champignons. »

Cette approche biomimétique s'appuie sur un processus de conception évolutive qui se teste lui-même depuis des siècles, offrant une inspiration qu'aucun ingénieur humain ne pourrait imaginer de toutes pièces.
Contexte scientifique et soutien plus larges

L'article publié dans Advanced Engineering Materials a été co-écrit par Akbar Solhtalab, un autre doctorant de Binghamton, et la professeure adjointe Debora Lyn Porter de l'UC Merced. La recherche a bénéficié du soutien du Centre d'ingénierie électronique intégrée (IEEC) de l'Université de Binghamton.

Ce n'est pas la première fois que les champignons sont présentés comme des éco-innovateurs. Des matériaux à base de mycélium ont déjà été explorés pour l'emballage, l'isolation et même le mobilier. Ce qui distingue cette recherche, c'est son analyse approfondie de la mécanique microscopique, un domaine qui pourrait permettre aux conceptions inspirées des champignons d'atteindre des domaines où la performance est essentielle et où l'échec est impossible.

La prochaine phase de ce projet révolutionnaire verra une intégration plus poussée des travaux expérimentaux avec les résultats de l'apprentissage automatique. Attendez-vous à une multitude de prototypes imprimés en 3D et d'essais en laboratoire, les chercheurs se concentrant sur les configurations hyphales optimales.

L'objectif est de valider pleinement les prédictions informatiques et de créer une méthodologie de conception reproductible. Cela permettrait aux concepteurs et aux ingénieurs de spécifier leurs besoins (résistance à la traction, flexibilité, amortissement) et de laisser le système déterminer comment les fabriquer.

En cas de succès, cela pourrait ouvrir la voie à une nouvelle ère de matériaux intelligents, alliant inspiration biologique, conception numérique et optimisation pilotée par l'IA.

La recherche n'en est qu'à ses débuts, mais ses promesses sont immenses. Alors que la pression climatique s'intensifie et que les industries recherchent des matériaux plus durables et performants, se tourner vers les champignons pourrait bien devenir une option.

« Nous avons encore tant à apprendre de la nature », a déclaré Razavi. « Nous n'en sommes qu'au début de ce type de recherche. »

Et c'est peut-être l'euphémisme de la décennie.
NJC.© Info Advanced Engineering Materials

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23/06/25-English

Fungi, Filaments and the Future of Materials

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What if the building materials of tomorrow sprouted from the forest floor? It sounds like something out of a sci-fi novel, but the microscopic secrets hidden inside mushrooms could be the next big leap for engineered materials. Researchers at Binghamton University and the University of California – Merced are unlocking these secrets, using nature’s own evolutionary tricks to develop smarter, more stress-resistant materials.

Their latest study, published in Advanced Engineering Materials, dives headfirst into the structural genius of fungi. Specifically, it explores the hyphal networks that give mushrooms their strength, flexibility, and remarkable adaptability. These findings could ultimately transform how we approach material design for high-stress industries like construction and aerospace.
Nature’s Blueprint for Strength

Fungi have had a long head start. After millions of years of fine-tuning their survival strategy, they’ve evolved cellular systems that elegantly balance resilience and flexibility. The researchers focused on the hyphae — slender, threadlike structures that form the structural backbone of fungi.

“We looked at how these filaments twist and branch to respond to stress,” explained Mohamed Khalil Elhachimi, PhD student and lead author of the study. “They control how fungi deform and recover, offering valuable clues for building better synthetic materials.”

To get a closer look, the team used scanning electron microscopy (SEM) to analyse the cell structures of two mushroom species: Agaricus bisporus (the everyday white button mushroom) and Grifola frondosa (the more complex maitake mushroom).

The white button mushroom features a uniform, randomly oriented filament system. In contrast, the maitake mushroom boasts two types of hyphae arranged directionally to optimise growth toward light and moisture. This directional growth leads to unique stress-handling capabilities, with the maitake’s dual-filament system proving significantly more sophisticated.
Computational Modelling Inspired by Mushrooms

Armed with biological insights, the next step for the team is to simulate these fungal behaviours in the digital realm. That means building a finite element model to test and predict how structures based on hyphal networks would perform under stress.

“Once we’ve got the model, we can reverse-engineer it,” Elhachimi said. “We start by specifying the desired mechanical properties, and AI figures out the structural layout that delivers them.”

This move toward inverse design could radically alter the way materials are developed. Rather than starting with a material and measuring its properties, researchers will be able to design from the end-goal backward — a feat only made possible by advances in deep learning.
Deep Learning and the Design Revolution

The role of AI in this process is pivotal. Assistant Professor Mir Jalil Razavi noted that deep learning models now allow researchers to simulate tens of thousands of filaments at once.

“This kind of simulation just wouldn’t be feasible manually. AI handles the complexity, giving us the flexibility to explore massive design spaces in a fraction of the time,” said Razavi.

Training these models, of course, is no walk in the park. The team plans to feed their simulations with experimental data from lab-generated materials. These biomimetic structures will be 3D printed based on AI-generated designs and subjected to rigorous stress testing. This loop of design, print, and test will help refine both the models and the materials.
Where Mushrooms Meet Industry

It’s not just theoretical. The implications for real-world applications are enormous. Once the AI models and physical testing align, the methodology could be applied to engineer novel materials in industries that demand mechanical excellence under pressure.

Think aerospace components that are lighter but tougher, or construction materials that bend without breaking during seismic events. The potential to create materials that combine strength, flexibility, and sustainability is what excites the team most.

“We’re not just talking about replacing plastics or metals,” said Razavi. “We’re talking about inventing entirely new classes of material based on the architecture of fungi.”

This biomimetic approach taps into an evolutionary design process that’s been stress-testing itself for eons, offering inspiration that no human engineer could dream up from scratch.
Broader Scientific Context and Support

The paper in Advanced Engineering Materials was co-authored by Akbar Solhtalab, another Binghamton PhD student, and Assistant Professor Debora Lyn Porter from UC Merced. The research received support from the Integrated Electronics Engineering Center (IEEC) at Binghamton University.

This isn’t the first time mushrooms have been touted as eco-innovators. Mycelium-based materials have already been explored for packaging, insulation, and even furniture. What sets this research apart is its deep dive into the microscopic mechanics — an area that could bring fungi-inspired designs into domains where performance is critical and failure isn’t an option.

The next phase of this ground-breaking project will see more integration of experimental work with machine learning outputs. Expect a flurry of 3D printed prototypes and lab trials as researchers zero in on the optimal hyphal configurations.

The goal is to fully validate the computational predictions and create a reproducible design methodology. This would allow designers and engineers to specify what they want — tensile strength, flexibility, damping — and let the system figure out how to build it.

If successful, this could usher in a new era of intelligent materials, marrying biological inspiration with digital design and AI-driven optimisation.

The research is still in its early stages, but the promise it holds is immense. As climate pressures mount and industries search for more sustainable yet high-performance materials, looking to fungi may no longer seem so far-fetched.

“There’s so much we can still learn from nature,” said Razavi. “We are just getting started with this kind of research.”

And that might just be the understatement of the decade.
NJC.© Info Advanced Engineering Materials

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23/06/25-NL

Schimmels, filamenten en de toekomst van materialen

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Wat als de bouwmaterialen van morgen uit de bosbodem zouden ontspruiten? Het klinkt als iets uit een sciencefictionroman, maar de microscopische geheimen die verborgen liggen in paddenstoelen zouden wel eens de volgende grote stap voorwaarts kunnen zijn voor technisch materiaal. Onderzoekers van Binghamton University en de University of California – Merced ontrafelen deze geheimen en gebruiken de evolutionaire trucs van de natuur om slimmere, stressbestendigere materialen te ontwikkelen.

Hun nieuwste studie, gepubliceerd in Advanced Engineering Materials, duikt voluit in het structurele genie van schimmels. Het onderzoekt met name de hyfennetwerken die paddenstoelen hun sterkte, flexibiliteit en opmerkelijke aanpassingsvermogen geven. Deze bevindingen zouden uiteindelijk onze benadering van materiaalontwerp voor sectoren met hoge stress, zoals de bouw en de lucht- en ruimtevaart, kunnen veranderen.
De natuur als blauwdruk voor sterkte

Schimmels hebben een lange voorsprong gehad. Na miljoenen jaren van het verfijnen van hun overlevingsstrategie hebben ze cellulaire systemen ontwikkeld die op elegante wijze veerkracht en flexibiliteit in evenwicht brengen. De onderzoekers richtten zich op de hyfen – slanke, draadachtige structuren die de structurele ruggengraat van schimmels vormen.

"We hebben gekeken naar hoe deze filamenten draaien en vertakken om te reageren op stress", legt Mohamed Khalil Elhachimi, promovendus en hoofdauteur van de studie, uit. "Ze bepalen hoe schimmels vervormen en herstellen, wat waardevolle aanwijzingen biedt voor het ontwikkelen van betere synthetische materialen."

Om de structuur beter te kunnen bekijken, gebruikte het team scanning elektronenmicroscopie (SEM) om de celstructuren van twee paddenstoelensoorten te analyseren: Agaricus bisporus (de gewone witte champignon) en Grifola frondosa (de complexere maitake).

De witte champignon heeft een uniform, willekeurig georiënteerd filamentsysteem. De maitake daarentegen heeft twee soorten hyfen die in een bepaalde richting zijn gerangschikt om de groei in de richting van licht en vocht te optimaliseren. Deze gerichte groei leidt tot unieke stressbeheersingsmogelijkheden, waarbij het dubbelfilamentsysteem van de maitake aanzienlijk geavanceerder blijkt te zijn.
Computationele modellering geïnspireerd door paddenstoelen

Gewapend met biologische inzichten is de volgende stap voor het team om dit schimmelgedrag digitaal te simuleren. Dat betekent het bouwen van een eindig-elementenmodel om te testen en te voorspellen hoe structuren gebaseerd op hyfennetwerken zich onder druk gedragen.

"Zodra we het model hebben, kunnen we het reverse-engineeren", aldus Elhachimi. "We beginnen met het specificeren van de gewenste mechanische eigenschappen, en AI bepaalt de structurele lay-out die deze oplevert."

Deze stap naar invers design zou de manier waarop materialen worden ontwikkeld radicaal kunnen veranderen. In plaats van te beginnen met een materiaal en de eigenschappen ervan te meten, kunnen onderzoekers vanaf het einddoel terug ontwerpen – een prestatie die alleen mogelijk is gemaakt door vooruitgang in deep learning.

Deep learning en de ontwerprevolutie

De rol van AI in dit proces is cruciaal. Universitair docent Mir Jalil Razavi merkte op dat deep learning-modellen onderzoekers nu in staat stellen om tienduizenden filamenten tegelijk te simuleren.

"Dit soort simulatie zou handmatig gewoon niet haalbaar zijn. AI kan de complexiteit aan, waardoor we de flexibiliteit hebben om enorme ontwerpruimtes in een fractie van de tijd te verkennen", aldus Razavi.

Het trainen van deze modellen is natuurlijk geen fluitje van een cent. Het team is van plan hun simulaties te voeden met experimentele gegevens van in het laboratorium gegenereerde materialen. Deze biomimetische structuren worden 3D-geprint op basis van door AI gegenereerde ontwerpen en onderworpen aan strenge stresstests. Deze cyclus van ontwerpen, printen en testen zal zowel de modellen als de materialen helpen verfijnen.
Waar paddenstoelen de industrie ontmoeten

Het is niet alleen theoretisch. De implicaties voor toepassingen in de praktijk zijn enorm. Zodra de AI-modellen en fysieke tests op elkaar zijn afgestemd, kan de methodologie worden toegepast om nieuwe materialen te ontwikkelen in industrieën die mechanische uitmuntendheid onder druk vereisen.

Denk aan lucht- en ruimtevaartcomponenten die lichter maar sterker zijn, of bouwmaterialen die buigen zonder te breken tijdens seismische gebeurtenissen. Het potentieel om materialen te creëren die sterkte, flexibiliteit en duurzaamheid combineren, is wat het team het meest enthousiast maakt.

"We hebben het niet alleen over het vervangen van kunststoffen of metalen", aldus Razavi. "We hebben het over het uitvinden van compleet nieuwe materiaalsoorten gebaseerd op de architectuur van schimmels."

Deze biomimetische benadering maakt gebruik van een evolutionair ontwerpproces dat zichzelf al eeuwenlang op de proef stelt en biedt inspiratie die geen enkele menselijke ingenieur helemaal zelf had kunnen bedenken.
Bredere wetenschappelijke context en ondersteuning

Het artikel in Advanced Engineering Materials werd mede geschreven door Akbar Solhtalab, een andere promovendus uit Binghamton, en universitair docent Debora Lyn Porter van UC Merced. Het onderzoek werd ondersteund door het Integrated Electronics Engineering Center (IEEC) van Binghamton University.

Het is niet de eerste keer dat paddenstoelen worden aangeprezen als eco-innovators. Materialen op basis van mycelium zijn al onderzocht voor verpakkingen, isolatie en zelfs meubels. Wat dit onderzoek onderscheidt, is de diepgaande duik in de microscopische mechanica – een gebied dat door schimmels geïnspireerde ontwerpen zou kunnen brengen in domeinen waar prestaties cruciaal zijn en falen geen optie is.

De volgende fase van dit baanbrekende project zal een verdere integratie van experimenteel werk met machine learning-resultaten inhouden. Verwacht een stortvloed aan 3D-geprinte prototypes en laboratoriumproeven terwijl onderzoekers zich richten op de optimale hyfenconfiguraties.

Het doel is om de computationele voorspellingen volledig te valideren en een reproduceerbare ontwerpmethodologie te creëren. Dit zou ontwerpers en ingenieurs in staat stellen om te specificeren wat ze willen – treksterkte, flexibiliteit, demping – en het systeem te laten uitzoeken hoe het te bouwen.

Als dit lukt, zou dit een nieuw tijdperk van intelligente materialen kunnen inluiden, waarbij biologische inspiratie wordt gecombineerd met digitaal ontwerp en AI-gestuurde optimalisatie.

Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen, maar de belofte is enorm. Nu de klimaatdruk toeneemt en industrieën op zoek zijn naar duurzamere en tegelijkertijd hoogwaardige materialen, lijkt een blik op schimmels misschien niet meer zo vergezocht.

"We kunnen nog zoveel leren van de natuur", aldus Razavi. "We staan ​​nog maar aan het begin van dit soort onderzoek."

En dat is misschien wel de understatement van het decennium.
NJC.© Info Advanced Engineering Materials

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