麻省理工学院的科学家们已经开发出一种系统的方法来研究蜘蛛丝的结构，对3D打印人造蜘蛛网综合运用计算建模和力学分析。
蜘蛛丝一直以其优雅、合理的结构，以及先进的材料性能著称：同等质量的蛛丝要比钢的强度高很多。
麻省理工学院的研究已经解释了这种材料的一些奥秘，这可能有助于设计模仿天然丝特性的人工合成资源。现在，麻省理工学院的科学家们已经开发出一种系统的方法来研究其结构，对3D打印人造蜘蛛网综合运用了计算建模和力学分析。这些模型为我们提供了关于蜘蛛如何优化自己的网的深刻见解。
“这是第一个对于合成天然蛛丝性质的系统探索，”Markus Buehler教授说，他是麻省理工学院土木与环境工程系的负责人（CEE），并且是发表在5月《自然通讯》杂志上的论文的第一作者。“我们希望以一种人工合成的和可重复的方式来扩充我们关于天然蛛网功能的知识。”
将多尺度建模与新兴微尺度3D打印技术相结合，该团队能够设计直接合成和测试人造蜘蛛网结构的方法。通过这种方法学到的经验，可能有助于将蛛丝的强度用于其他用途，并最终激发工程师数字化地设计具有可靠性和防破坏性能的新结构和复合材料。
论文是由Buehler，以及CEE的科学家Zhao Qin、哈佛大学教授Jennifer Lewis，前哈佛大学博士后Brett Compton共同完成。
进一步揭示蜘蛛丝的奥秘
此项研究挖掘了蜘蛛网结构的加载点和失效机制之间的重要关系。通过调整分布在整个网上的材料，蜘蛛能为其预期的猎物优化蛛网的强度。
该研究团队进行了一个实验设计：使用金属结构进行3D打印人造蛛网，并直接将他们的数据整体集成入模型之中。
“最终我们将物理计算结合到实验当中，”Buehler说。根据Buehler的想法，蜘蛛网使用数量有限的材料来捕捉大小不同的猎物。他和他的同事们希望利用这项工作设计现实生活中抗破坏性能的低密度材料。
Lewis说：“3D打印模型开启了网结构对强度和破坏韧性影响的研究之门——这是只使用天然的蜘蛛网不可能取得的壮举”。
“蜘蛛丝是一个令人印象深刻的和引人入胜的材料，”她说。“但直到现在，这种网结构的作用还没有被充分研究。”通过使用与蛛丝力学性能类似的能够3D打印的材料，来进行蛛丝几何学方面的研究，是Lewis的研究方向。
Buehler的研究团队利用圆蛛科的蛛网作为他们3D打印设计的灵感。在每一个他们的样品中，他们通过控制丝的直径的方法来比较同类和异类网丝的粗细。
在模拟中，该团队创建了在不同加载条件下“测试和优化网结构的理想环境”，然后使用合成材料打印相同的网，Qin说：“我们正处在量化蜘蛛网强度机制的路上”。
一个视频中的这些照片显示了该团队如何进行3D打印人造蜘蛛网
该工作表明，由相同直径的丝组成的蜘蛛网更适合于单点受力，如来自苍蝇撞击蛛网的冲击；不同的直径可以承受更广泛的压力，比如风、雨或重力。
计算模型和3D打印技术相结合使有效地测试和优化设计成为可能。
“这项工作很好的阐释了我们如何在自然之中探索设计，开发新颖的材料和结构。”Sandra Shefelbine说，她是东北大学的机械和工业工程方面的副教授，并没有参与这项工作。
加利福尼亚大学圣地亚哥分校机械和航空航天工程系的教授，Marc Meyers补充说：“生物材料及其结构是工程的新领域，Markus Buehler和他的同事最近的重大贡献超越了第一阶段，这就是理解自然，并大举进行仿生结构的创建。”
Lewis说，该团队现在计划通过控制冲击和振动实验来检测网的动力学。她说，这将改变打印材料的即时特性，开启了打印优化的多功能结构的大门。
来源：材料与测试
译者：天使之翼
译自phys.org
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