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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

admin2021-08-2362

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一项最新研究解释,蜘蛛网纵然在制作的早期阶段也可以 *** 拉伸以及捕捉猎物。

该研究于北京时间8月10日3时宣布在国际着名学术期刊《美国科学院院报》(PNAS)上。论文题目为《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事情室。通讯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制作历程中的前2天完成的,之后蜘蛛会通过框架内结构的有限扩展来增强现有网络。此外,纵然在制作历程的第1天,蛛网的特定位置也有时机捕捉猎物。

“蜘蛛网是自然界最神奇的质料之一――蛛丝具有很强的韧性和可扩展性。通过在蛛网中制作庞大的三维修建,蛛丝的这些特征就被增强到能遭受伟大环境影响的功效结构。蜘蛛网是蜘蛛身体的延伸。”Markus J. Buehler向汹涌新闻(www.thepaper.cn)记者先容选择蜘蛛网为研究工具的缘故原由。

论文示意,蜘蛛是自然界的工程师,它们能设计、制作、使用和维护质量轻、性能佳的“蛛网修建”。事实上,蜘蛛可以产出多达8种具有差异特征和功效的丝,并缔造出许多网络结构――从简朴的T形网和典型的二维圆网到庞大的三维网(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,人们对于制作中的蛛网(尤其是三维蛛网)的形状和力学特征知之甚少。对于制作中的三维蜘蛛网的力学和生物特征的深入领会,能够为耐用结实的和有弹性的纤维网络、庞大质料、结构、脚手架和分层结构的自组装战略提供灵感,并对3D 打印、艺术、修建和工程应用发生启发。

好比说,蜘蛛网一样平常只有很少的外部支持。与人类的传统修建相比,云云重大的结构将需要伟大的脚手架、大型修建装备和许多工人。因此,领会蜘蛛网的制作能够提高人类施工效率。

此项研究中,研究职员通过在蜘蛛网制作历程中举行成像、建模和模拟来研究蜘蛛网在制作的差异阶段的结构和力学性能。Markus Buehler等人延续7天使用移动片光源和相机自动拍摄Tidarren sisyphoides蜘蛛制作的缠结网,并使用图像处置算法将2D图像转换为3D模子。他们还对蛛网举行了拉伸模拟和弹丸撞击模拟。

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蜘蛛网的密度图

研究发现,蜘蛛会在前面2天(共7天)确立蛛网形状、强度和功效的基础。之后,只是在初始框架内举行有限拓展来对现有的蛛网举行加固。经由7天的制作,蜘蛛网的密度到达3.56 × 10^ 5 立方米每千克。事实上,蜘蛛网的密度从第0天到第1天增添了700%,从第1天到第2天增添了400%,从第2天到第3天仅增添了9%。

自然界中,附着在树枝等移动支持物上的蜘蛛网会不停被拉伸。研究者研究制作阶段,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,在遭受负载的蛛丝到达其失效的应力并断裂后,负载会转移到毗邻的蛛丝上,从而阻止发生灾难性故障。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效。

研究还发现,蜘蛛网的强度随着网的密度而增添。在网的坚硬基础上,蜘蛛会在接下来的日子增添网的密度,从而增添网的强度。

此外,研究发现蛛网可以有用地让猎物减速,从而增添捕到猎物的概率。由于蛛网具有较多孔隙,大多数猎物会穿过网。然则,在蛛网的特定位置,即便蛛网才修建1天,蜘蛛也有时机捕到猎物。在蛛网构建的差异阶段,让猎物减速的位置会发生转变,这解释蜘蛛会调整结构(而结构的基础保持稳固)。

弹丸撞击减速图,示意撞击蛛网之后的速率与撞击时速率之比

论文示意,实验装置的进一步扩展可以引发可连续和弹性子料、修建手艺,以及具有艺术、修建和工程应用的自组装战略。增添蜘蛛网构建、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缔造性的互助来启发艺术、设计和修建(例如庞大和大规模的拉伸结构)。

“(这项研究的)一项应用是新质料设计。这项事情发生了新颖的由蛛网启发(web-inspired)的3D打印质料。同时,也辅助我们实现新的3D打印方式。”Markus J. Buehler先容道。

蜘蛛网的3D打印物理模子

“我们现在正在开发将蛛网用于修建和质料工程中质料应用的新方式。”问及关于蜘蛛网的下一步研究设计,Markus J. Buehler示意,“我们正在起劲研究的另一个应用是可听化(sonification)手艺,即将蛛网作为乐器。我们已经通过蛛网缔造了新的音乐,就像这里所展示的――蜘蛛网与毒液之交响乐。”

网友评论

1条评论
  • 2021-08-23 00:03:29

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