蜘蛛絲因其優(yōu)雅的結構和其先進的材料屬性久負盛名：相同質量下，強度高于鋼。

　　麻省理工學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，麻省理工學院的科學家們已經(jīng)開發(fā)出一種研究其結構的系統(tǒng)方法，結合數(shù)值模擬和3D打印合成蜘蛛網(wǎng)的力學性能分析。這些模型提供給我們關于蜘蛛如何優(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。“我們希望擴大關于自然蛛網(wǎng)系統(tǒng)功能的知識和可重復的方法。”

　　研究者探索蜘蛛絲力學性能來設計材料。結合多尺度數(shù)值模擬與新興微尺度3D打印技術，研究團隊直接打印蛛網(wǎng)，并測試所合成網(wǎng)的結構。得出的經(jīng)驗有助于利用蜘蛛絲的強度設計其他用途，最終激發(fā)工程師的靈感，設計可靠的和防破壞的新結構和復合材料。

　　論文由比勒和土木與環(huán)境工程學院科學家趙秦、哈佛大學教授詹妮弗·劉易斯、以及前哈佛大學博士后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)結構間的重要關系，加載點和斷裂機理。通過調整蛛網(wǎng)的材料分配，蜘蛛能為預期的獵物，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)結構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)結構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性能的材料，是劉易斯的任務。

　　比勒的研究小組利用圓形織網(wǎng)蛛的網(wǎng)，作為他們3D設計的靈感。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)絡結構的理想環(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。

　　結合數(shù)值模擬和3D打印技術可以使測試和優(yōu)化設計更加有效。

　　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)化的多功能結構。