MIT原子和分子力学实验室研究发现:蜘蛛网织成前就能捕猎

一项最新研究表明,蜘蛛网即使在建造的早期阶段也可以抵抗拉伸以及捕获猎物。
该研究于北京时间8月10日3时发布在国际知名学术期刊《美国科学院院报》(PNAS)上。论文标题为《In-situ three-dimensional spider web construction and mechanics》,研究者主要来自麻省理工学院原子和分子力学实验室以及德国Tomás Saraceno工作室。通信作者为麻省理工学院土木与环境工程系教授Markus J. Buehler。
研究发现,蜘蛛网的主体结构是在建造过程中的前2天完成的,之后蜘蛛会通过框架内结构的有限扩展来加强现有网络。此外,即使在建造过程的第1天,蛛网的特定位置也有机会捕获猎物。
“蜘蛛网是自然界最神奇的材料之一——蛛丝具有很强的韧性和可扩展性。通过在蛛网中建造复杂的三维建筑,蛛丝的这些特性就被增强到能承受巨大环境影响的功能结构。蜘蛛网是蜘蛛身体的延伸。”Markus J. Buehler向新闻记者介绍选择蜘蛛网为研究对象的原因。
论文表示,蜘蛛是自然界的工程师,它们能设计、建造、使用和维护质量轻、性能佳的“蛛网建筑”。事实上,蜘蛛可以产出多达8种具有不同特性和功能的丝,并创造出许多网络结构——从简单的T形网和典型的二维圆网到复杂的三维网(如漏斗状网、缠结网等)。蜘蛛、蛛丝和蜘蛛网的复合体是一个自给自足、自我监控和自我修复的系统。
然而,人们对于建造中的蛛网(尤其是三维蛛网)的形状和力学特征知之甚少。对于建造中的三维蜘蛛网的力学和生物特征的深入了解,能够为耐用结实的和有弹性的纤维网络、复杂材料、结构、脚手架和分层结构的自组装策略提供灵感,并对3D 打印、艺术、建筑和工程应用产生启发。
比如说,蜘蛛网一般只有很少的外部支撑。与人类的传统建筑相比,如此庞大的结构将需要巨大的脚手架、大型建筑设备和很多工人。因此,了解蜘蛛网的建造能够提高人类施工效率。
此项研究中,研究人员通过在蜘蛛网建造过程中进行成像、建模和模拟来研究蜘蛛网在建造的不同阶段的结构和力学性能。Markus Buehler等人连续7天使用移动片光源和相机自动拍摄Tidarren sisyphoides蜘蛛建造的缠结网,并使用图像处理算法将2D图像转换为3D模型。他们还对蛛网进行了拉伸模拟和弹丸撞击模拟。研究发现,蜘蛛会在前面2天(共7天)建立蛛网形状、强度和功能的基础。之后,只是在初始框架内进行有限拓展来对现有的蛛网进行加固。经过7天的建造,蜘蛛网的密度达到3.56 × 10^−5 千克每立方米。事实上,蜘蛛网的密度从第0天到第1天增加了700%,从第1天到第2天增加了400%,从第2天到第3天仅增加了9%。
自然界中,附着在树枝等移动支撑物上的蜘蛛网会不断被拉伸。研究者研究建造阶段,三维蛛网中一根蛛丝在拉伸下随时间推移的机械性能。研究发现,在承受负载的蛛丝达到其失效的应力并断裂后,负载会转移到连接的蛛丝上,从而避免发生灾难性故障。然后,蜘蛛可以通过拉索丝的非线性行为和蛛网的相互作用来定位缺陷,再修复缺陷以维持网络功能。
研究还发现,蜘蛛网的强度随着网的密度而增加。在网的坚固基础上,蜘蛛会在接下来的日子增加网的密度,从而增加网的强度。
此外,研究发现蛛网可以有效地让猎物减速,从而增加捕到猎物的概率。由于蛛网具有较多孔隙,大多数猎物会穿过网。但是,在蛛网的特定位置,即便蛛网才修建1天,蜘蛛也有机会捕到猎物。在蛛网构建的不同阶段,让猎物减速的位置会发生变化,这表明蜘蛛会调整结构(而结构的基础保持不变)。论文表示,实验装置的进一步扩展可以激发可持续和弹性材料、建筑技术,以及具有艺术、建筑和工程应用的自组装策略。增加蜘蛛网构建、监测与修复的知识,可以为具有自给自足、自我修复和自我监控能力的新型智能结构提供灵感。这些知识还可以通过与其他学科的创造性的合作来启发艺术、设计和建筑(例如复杂和大规模的拉伸结构)。
“(这项研究的)一项应用是新材料设计。这项工作产生了新颖的由蛛网启发(web-inspired)的3D打印材料。同时,也帮助我们实现新的3D打印方法。”Markus J. Buehler介绍道。“我们目前正在开发将蛛网用于建筑和材料工程中材料应用的新方法。”问及关于蜘蛛网的下一步研究计划,Markus J. Buehler表示,“我们正在积极研究的另一个应用是可听化(sonification)技术,即将蛛网作为乐器。我们已经通过蛛网创造了新的音乐,就像这里所展示的——蜘蛛网与毒液之交响乐。”

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