蛛丝比钢材还强韧？3D打印会告诉你答案

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麻省理工学院的研究人员正结合3D打印技术和计算建模方法，系统研究蛛网的结构对蛛网强度的影响。图片来源：Markus J. Buehler实验室。

(“科学美国人”中文版《环球科学》杂志报道）蜘蛛网不仅结构优美，而且蜘蛛丝的材料特点也很吸引人：同样质量的蜘蛛丝比钢材更坚韧。

麻省理工学院的科学家一直在研究蜘蛛丝的材料，他们也曾通过人工合成的方法模拟自然界中的丝状材料。现在，他们结合了计算建模和力学分析的方法，试图系统地研究3D打印合成蛛丝网的结构。他们创建的模型有可能帮助我们深入研究蜘蛛优化蜘蛛网的方法。

麻省理工学院土木和环境工程系的教授Markus Buehler是研究论文的作者（这篇文论文发表在本周的《自然•通讯》上）。他说：“我们正让自然蛛网功能方面的知识系统化。”

研究团队结合了多尺度建模方法和新出现的微型3D打印技术，可以直接将设计出的合成蛛网结构制造出来并进行测试。通过这种方法得到的信息最终可以帮助工程师对抗性材料进行数字设计。

研究发现，蜘蛛网的结构、受力点，以及损坏原因之间存在深刻的联系。蜘蛛可以在整张蛛网上调节材料分布，从而优化蛛网的强度，承受猎物的碰撞和挣扎。此外，蜘蛛只用了相当有限的蛛丝材料就让蛛网可以捕捉不同体积的猎物。研究人员希望从中获得灵感，设计出低密度但能抗性强的材料。

虽然此前已有大量研究关注蛛网的材料，但是对蛛网结构的研究却不够透彻。研究团队为了研究蛛网的几何特征，需要3D打印出与蛛丝相似的材料，形成力学性质均匀的网络结构。他们用3D打印出的金属网络结构进行研究，并直接把数据导入模型，结合了物理实验和计算实验。3D打印出的模型可以用来研究网络的架构的强度和对损伤的耐受性。

研究人员模拟了圆蛛蛛网的结构，将之作为3D打印的模型。他们控制网状丝的直径，从比较均匀和非均匀网丝粗度的性质。在模拟过程中，研究团队在不同的条件下，创造出了“测试和优化网状结构的完美环境”，然后他们用合成材料打印出相同的网络，并对网络的机理进行定量研究。

研究人员参考了圆蜘的蛛网。图为一只圆蛛停留在自己的蛛网上。图片来源：Wikipedia。

研究发现，蛛丝直径均匀的蛛网可以更好地应对单点受力，比如一只苍蝇撞在蛛网上。而不均匀的蛛丝直径更适合承受广泛的冲击，比如来自风雨和重力的作用力。

计算模型和3D打印的结合设计测试和优化变得更有效。东北大学力学和工业工程副教授Sandra Shefelbine表示，这项研究向我们表明，可以有效地在开发新材料和新结构的过程中，挖掘设计的本质。

加州大学圣迭戈分校的力学和太空工程教授Marc Meyers补充说：“生物材料和结构是工程学的新前沿。这项研究已经过了最开始的阶段，也就是理解自然并开始发明仿生材料的阶段。”

现在，研究团队计划通过精确控制的冲撞和振动实验，研究网络结构的动力学特征。这会实时改变打印材料的性质，有助于打印优化的多功能结构。

【来源】麻省理工学院

【文献】

S. Lin, S. Ryu, O. Tokareva, G. Gronau, M.M. Jacobsen, W. Huang, D. Rizzo, Da. Li, C. Staii, N.M. Pugno, J.Y. Wong, D.L. Kaplan, M.J. Buehler, Predictive Modelling-Based Design for Synthesis and Spinning of Bioinspired Silk Fibres.Nature Communications.

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