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。現在，麻省理工學院的科學家們已經開發(fā)出一種研究其結構的系統(tǒng)方法，結合數值模擬和3D打印合成蜘蛛網的力學性能分析。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在本周的《自然通訊》中。“我們希望擴大關于自然蛛網系統(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。結合多尺度數值模擬與新興微尺度3D打印技術，研究團隊直接打印蛛網，并測試所合成網的結構。得出的經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

　　研究揭示了蜘蛛網結構間的重要關系，加載點和斷裂機理。通過調整蛛網的材料分配，蜘蛛能為預期的獵物，優(yōu)化其蛛網強度。

　　團隊采用一種實驗裝置，利用金屬3D打印人造蛛網，并直接將它們的數據整合到模型中?！白罱K在我們的實驗中，合并物理參數與計算結果，”比勒說。

　　根據比勒教授的說法，蜘蛛網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?！暗诖酥?，蛛網結構的作用尚未被充分地探索。”為了研究蜘蛛網幾何方面特征，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蛛的網，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)化網絡結構的理想環(huán)境”，然后使用合成材料打印相同的網，秦說?！拔覀冋谠噲D量化蜘蛛網高強度的機制，”他說。

　　工作表明，由均勻線絲直徑組成的蜘蛛網更適合于承載單受力點，如蒼蠅對蜘蛛網的沖擊力; 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，團隊現在正計劃通過受控沖擊和振動實驗，來測試蛛網的動力學特征。她說，這將實時改變打印材料的屬性，來實現可打印的優(yōu)化的多功能結構。