蜘蛛絲因其優(yōu)雅的結構和其先進(jìn)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(lèi)似于天然蛛絲的材料?，F在，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種研究其結構的系統方法，結合數值模擬和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(guān)點(diǎn)。

　　“這是第一次系統的探索，”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(shuō)，以他為第一作者的論文出現在本周的《自然通訊》中?！拔覀兿Ｍ麛U大關(guān)于自然蛛網(wǎng)系統功能的知識和可重復的方法?！?/p>

　　研究者探索蜘蛛絲力學(xué)性能來(lái)設計材料。結合多尺度數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(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(jìn)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(guān)系，加載點(diǎn)和斷裂機理。通過(guò)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(shí)驗裝置，利用金屬3D打印人造蛛網(wǎng)，并直接將它們的數據整合到模型中?！白罱K在我們的實(shí)驗中，合并物理參數與計算結果，”比勒說(shuō)。

　　根據比勒教授的說(shuō)法，蜘蛛網(wǎng)利用有限的材料來(lái)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(lái)設計現實(shí)中的低密度防破壞材料。

　　3D打印的模型，劉易斯說(shuō)，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(shuō)?！暗诖酥?，蛛網(wǎng)結構的作用尚未被充分地探索?！睘榱搜芯恐┲刖W(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設計的靈感。在每一個(gè)他們的樣品中，他們控制線(xiàn)絲的直徑作為一種比較同類(lèi)和異類(lèi)線(xiàn)絲厚度的方法。

　　在模擬實(shí)驗中，不同加載條件下，團隊創(chuàng )造“測試和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )結構的理想環(huán)境”，然后使用合成材料打印相同的網(wǎng)，秦說(shuō)?！拔覀冋谠噲D量化蜘蛛網(wǎng)高強度的機制，”他說(shuō)。

　　工作表明，由均勻線(xiàn)絲直徑組成的蜘蛛網(wǎng)更適合于承載單受力點(diǎn)，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(fēng)，雨，或重力。

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

　　劉易斯說(shuō)，團隊現在正計劃通過(guò)受控沖擊和振動(dòng)實(shí)驗，來(lái)測試蛛網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)特征。她說(shuō)，這將實(shí)時(shí)改變打印材料的屬性，來(lái)實(shí)現可打印的優(yōu)化的多功能結構。