Киберфизическое моделирование и прогнозирование динамики процессов самовосстановления в биобетоне
Журнал: Строительство уникальных зданий и сооружений @unistroy
Статья в выпуске: 5 (119), 2025 года.
Бесплатный доступ
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.
Короткий адрес: https://sciup.org/143185208
IDS: 143185208 | DOI: 10.4123/CUBS.119.2
Cyber-physical modeling and prediction of self-healing processes dynamics in bioconcrete
The phenomenon of self-healing concrete is based on the processes of functioning and regeneration of bacteria, and the production of calcite as a result of their vital activity. At the same time, the peculiarities of calcite production by bacteria, their regeneration rate and quantitative characteristics have not been studied at the present stage. A problematic scientific issue is also a type of bacteria with a high rate of calcite production and, accordingly, the ability to heal microcracks. This article presents the cybernetic foundations of modeling self-healing processes in bio-concrete. The concept of creating smart self-healing materials based on the reaction-diffusion equations is proposed. The article substantiates the consideration of bacterial colonies in concrete as a distributed computing network that processes damage information, and presents basic mathematical models describing the dynamics of the bacterial population (reaction-diffusion equation), resource consumption, and kinetics of crack healing. The central element of the proposed approach is the concept of a cyberphysical system (CFS) that integrates sensor monitoring data on environmental parameters (humidity, temperature, pH) with a hybrid predictive model combining physico-chemical equations and a neural network add-on to assess and optimize recovery rates. Feedback modeling and the application of the principles of Proportional-Integral-Derivative control to biological processes suggest the potential for adaptive control of material properties, although the practical implementation of such a system remains a difficult task.