蜘蛛絲因其優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)和其先進的材料屬性久負盛名：相同質(zhì)量下，強度高于鋼。
麻省理工學(xué)院的研究揭示了這種材料的一些奧秘，有助于合成類似于天然蛛絲的材料。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種研究其結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方法，結(jié)合數(shù)值模擬和3D打印合成蜘蛛網(wǎng)的力學(xué)性能分析。這些模型提供給我們關(guān)于蜘蛛如何優(yōu)化蛛網(wǎng)的一些觀點。
“這是第一次系統(tǒng)的探索，”麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系的負責人馬庫斯·比勒教授說，以他為第一作者的論文出現(xiàn)在本周的《自然通訊》中。“我們希望擴大關(guān)于自然蛛網(wǎng)系統(tǒng)功能的知識和可重復(fù)的方法。”
研究者探索蜘蛛絲力學(xué)性能來設(shè)計材料。結(jié)合多尺度數(shù)值模擬與新興微尺度3D打印技術(shù)，研究團隊直接打印蛛網(wǎng)，并測試所合成網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。得出的經(jīng)驗有助于利用蜘蛛絲的強度設(shè)計其他用途，最終激發(fā)工程師的靈感，設(shè)計可靠的和防破壞的新結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料。
論文由比勒和土木與環(huán)境工程學(xué)院科學(xué)家趙秦、哈佛大學(xué)教授詹妮弗·劉易斯、以及前哈佛大學(xué)博士后Brett康普頓完成。
進一步揭示蜘蛛絲的奧秘
研究揭示了蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)間的重要關(guān)系，加載點和斷裂機理。通過調(diào)整蛛網(wǎng)的材料分配，蜘蛛能為預(yù)期的獵物，優(yōu)化其蛛網(wǎng)強度。
團隊采用一種實驗裝置，利用金屬3D打印人造蛛網(wǎng)，并直接將它們的數(shù)據(jù)整合到模型中。“最終在我們的實驗中，合并物理參數(shù)與計算結(jié)果，”比勒說。
根據(jù)比勒教授的說法，蜘蛛網(wǎng)利用有限的材料來捕捉不同尺寸的獵物。他和他的同事們希望利用這項工作來設(shè)計現(xiàn)實中的低密度防破壞材料。
3D打印的模型，劉易斯說，為研究蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)對強度和損傷極限的影響提供了方法--是單單利用天然蜘蛛網(wǎng)不可能達到的壯舉。
“蜘蛛絲是種令人印象深刻的吸引人的材料，”她說。“但在此之前，蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的作用尚未被充分地探索。”為了研究蜘蛛網(wǎng)幾何方面特征，利用可被3D打印并與蜘蛛絲相似的且具有均勻力學(xué)性能的材料，是劉易斯的任務(wù)。
比勒的研究小組利用圓形織網(wǎng)蛛的網(wǎng)，作為他們3D設(shè)計的靈感。在每一個他們的樣品中，他們控制線絲的直徑作為一種比較同類和異類線絲厚度的方法。
在模擬實驗中，不同加載條件下，團隊創(chuàng)造“測試和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的理想環(huán)境”，然后使用合成材料打印相同的網(wǎng)，秦說。“我們正在試圖量化蜘蛛網(wǎng)高強度的機制，”他說。
工作表明，由均勻線絲直徑組成的蜘蛛網(wǎng)更適合于承載單受力點，如蒼蠅對蜘蛛網(wǎng)的沖擊力; 非均勻直徑可以承受分布更廣泛的壓力，比如風，雨，或重力。
結(jié)合數(shù)值模擬和3D打印技術(shù)可以使測試和優(yōu)化設(shè)計更加有效。
劉易斯說，團隊現(xiàn)在正計劃通過受控沖擊和振動實驗，來測試蛛網(wǎng)的動力學(xué)特征。她說，這將實時改變打印材料的屬性，來實現(xiàn)可打印的優(yōu)化的多功能結(jié)構(gòu)。