Киберфизическое моделирование и прогнозирование динамики процессов самовосстановления в биобетоне

Феномен самовосстановления бетона основан на процессах функционирования и регенерации бактерий, а также на производстве кальцита в результате их жизнедеятельности. При этом особенности производства кальцита бактериями, скорость их регенерации и количественные характеристики до настоящего времени не изучены. Проблемным научным вопросом является также тип бактерий с высокой скоростью производства кальцита и, соответственно, способностью к заживлению микротрещин. В данной статье представлены кибернетические основы моделирования процессов самовосстановления в биобетоне. Предложена концепция создания интеллектуальных самовосстанавливающихся материалов на основе уравнений реакции-диффузии. В статье обосновывается рассмотрение бактериальных колоний в бетоне как распределенной вычислительной сети, обрабатывающей информацию о повреждениях, и представлены базовые математические модели, описывающие динамику бактериальной популяции (уравнение реакции-диффузии), потребление ресурсов и кинетику заживления трещин. Центральным элементом предлагаемого подхода является концепция киберфизической системы (КФС), которая интегрирует данные мониторинга датчиков параметров окружающей среды (влажность, температура, pH) с гибридной прогностической моделью, сочетающей физико-химические уравнения и нейронную сеть для оценки и оптимизации скорости восстановления. Моделирование обратной связи и применение принципов пропорционально-интегрально-дифференциального управления к биологическим процессам предполагают потенциал для адаптивного управления свойствами материала, хотя практическая реализация такой системы остается сложной задачей.