2015年5月20日
蜘蛛丝因其优越的材料性能和诱人的结构而得到广泛的研究。众所周知，它比钢更坚固。麻省理工学院的研究人员特别探索了蚕丝的独特性，从而可能创造出能够模仿天然丝的惊人特性的人工资源。
麻省理工学院的科学家开发了一种系统的方法来研究蛛丝的结构，将计算模型和力学分析结合到3d打印合成蛛网上。(研究人员提供)
麻省理工学院的研究人员最近的研究重点是开发一种系统的方法，通过将力学分析和计算模型集成到3d打印的人工蜘蛛网中来研究蛛丝的结构。这些模型将揭示蜘蛛织网的方式。
麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)主任马库斯·比勒(Markus Buehler)教授是本周《自然通讯》杂志上一篇论文的主要作者，他说:“这是同类研究中首次有系统的探索。”“我们希望以系统和可重复的方式扩展我们对自然网功能的了解。”
通过将新兴的微尺度3d打印方法与多尺度建模相结合，该团队能够通过设计直接制造和测试人工网结构。从这项研究中获得的结果很可能用于利用蜘蛛丝的强度用于许多其他应用，并开创了一种数字化开发具有抗损伤和可靠性等品质的新型结构和复合材料的方法。
这篇论文由比勒、中国高考研究科学家赵勤、哈佛大学教授詹妮弗·刘易斯和前哈佛大学博士后布雷特·康普顿共同撰写。
麻省理工学院的研究人员还发现了蜘蛛的网状结构、加载点和失效机制之间的主要联系。他们观察了蜘蛛在整个蛛网上调整蛛丝分布的方式，从而使蜘蛛能够为其预期的猎物增强蛛网的强度。该团队采用的实验装置包括使用金属结构的3d打印人工蜘蛛网，然后将他们的数据合并到模型中。
“最终，我们在实验中融合了物理和计算，”比勒说。
比勒认为，蜘蛛网用很少的材料就能捕获各种大小的猎物。他和他的团队希望利用这个概念来制备人工的、低密度的、抗损伤的材料。欧洲杯足球竞彩
刘易斯表示，3d打印模型为分析蛛网结构如何影响强度和损伤容忍度铺平了道路，这是使用自然蜘蛛网是不可能的。
“蛛丝是一种令人印象深刻、令人着迷的材料，”她说。“但在此之前，网络架构的作用尚未被充分探索。”刘易斯的目标是通过使用与丝绸相似的材料来研究蜘蛛网的几何形状，这种材料可以通过3d打印获得一致的机械性能。
球体编织蜘蛛网是比勒团队开发3D设计的灵感来源。他们成功地控制了线的直径，这是基于一种技术，在所有样品中比较了均匀和不均匀的线的厚度。
秦说，在模拟中，该团队在不同的负载条件下创造了“测试和优化蛛网结构的理想环境”，然后使用合成材料打印相同的蛛网。欧洲杯足球竞彩“我们正在量化使蜘蛛网如此坚固的机制，”他说。
麻省理工学院的研究报告称，直径均匀的蜘蛛网倾向于更好地处理施加在一个区域的力，比如苍蝇撞击蜘蛛网的影响。同样，直径不均匀的蜘蛛网能够承受由雨、重力或风等因素造成的广泛压力。
3d打印与计算建模的集成能够以一种有效的方式进行测试和改进设计。
“这项工作很好地展示了我们如何在开发新材料和结构的过程中利用自然设计。欧洲杯足球竞彩没有参与这项工作的东北大学机械与工业工程副教授桑德拉·舍费尔宾说。
加州大学圣地亚哥分校(University of California at San Diego)机械与航空航天工程教授马克·迈耶斯(Marc Meyers)补充道:“生物材料和结构是工程学的新前沿。欧洲杯足球竞彩Markus Buehler和他的同事们最近的重大贡献超越了第一阶段，即理解自然，并在创造生物灵感结构方面取得了重大进展。”
刘易斯表示，今后，麻省理工学院的研究小组将专注于利用可控的冲击和振动测试来研究网络的动态方面。她认为，这将允许实时改变打印材料的特性，从而导致打印增强的多功能结构。