一項最新研究表明，蜘蛛網(wǎng)即使在建造的早期階段也可以抵抗拉伸以及捕獲獵物。

該研究于北京時間8月10日3時發(fā)布在國際知名學術(shù)期刊《美國科學院院報》（PNAS）上。論文標題為《In-situ three-dimensional spider web construction and mechanics》，研究者主要來自麻省理工學院原子和分子力學實驗室以及德國Tomás Saraceno工作室。通信作者為麻省理工學院土木與環(huán)境工程系教授Markus J. Buehler。

研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)是在建造過程中的前2天完成的，之后蜘蛛會通過框架內(nèi)結(jié)構(gòu)的有限擴展來加強現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。此外，即使在建造過程的第1天，蛛網(wǎng)的特定位置也有機會捕獲獵物。

“蜘蛛網(wǎng)是自然界最神奇的材料之一——蛛絲具有很強的韌性和可擴展性。通過在蛛網(wǎng)中建造復(fù)雜的三維建筑，蛛絲的這些特性就被增強到能承受巨大環(huán)境影響的功能結(jié)構(gòu)。蜘蛛網(wǎng)是蜘蛛身體的延伸。”Markus J. Buehler向澎湃新聞（www.6773257.com）記者介紹選擇蜘蛛網(wǎng)為研究對象的原因。

論文表示，蜘蛛是自然界的工程師，它們能設(shè)計、建造、使用和維護質(zhì)量輕、性能佳的“蛛網(wǎng)建筑”。事實上，蜘蛛可以產(chǎn)出多達8種具有不同特性和功能的絲，并創(chuàng)造出許多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——從簡單的T形網(wǎng)和典型的二維圓網(wǎng)到復(fù)雜的三維網(wǎng)（如漏斗狀網(wǎng)、纏結(jié)網(wǎng)等）。蜘蛛、蛛絲和蜘蛛網(wǎng)的復(fù)合體是一個自給自足、自我監(jiān)控和自我修復(fù)的系統(tǒng)。

然而，人們對于建造中的蛛網(wǎng)（尤其是三維蛛網(wǎng)）的形狀和力學特征知之甚少。對于建造中的三維蜘蛛網(wǎng)的力學和生物特征的深入了解，能夠為耐用結(jié)實的和有彈性的纖維網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜材料、結(jié)構(gòu)、腳手架和分層結(jié)構(gòu)的自組裝策略提供靈感，并對3D 打印、藝術(shù)、建筑和工程應(yīng)用產(chǎn)生啟發(fā)。

比如說，蜘蛛網(wǎng)一般只有很少的外部支撐。與人類的傳統(tǒng)建筑相比，如此龐大的結(jié)構(gòu)將需要巨大的腳手架、大型建筑設(shè)備和很多工人。因此，了解蜘蛛網(wǎng)的建造能夠提高人類施工效率。

此項研究中，研究人員通過在蜘蛛網(wǎng)建造過程中進行成像、建模和模擬來研究蜘蛛網(wǎng)在建造的不同階段的結(jié)構(gòu)和力學性能。Markus Buehler等人連續(xù)7天使用移動片光源和相機自動拍攝Tidarren sisyphoides蜘蛛建造的纏結(jié)網(wǎng)，并使用圖像處理算法將2D圖像轉(zhuǎn)換為3D模型。他們還對蛛網(wǎng)進行了拉伸模擬和彈丸撞擊模擬。

蜘蛛網(wǎng)的密度圖

研究發(fā)現(xiàn)，蜘蛛會在前面2天（共7天）建立蛛網(wǎng)形狀、強度和功能的基礎(chǔ)。之后，只是在初始框架內(nèi)進行有限拓展來對現(xiàn)有的蛛網(wǎng)進行加固。經(jīng)過7天的建造，蜘蛛網(wǎng)的密度達到3.56 × 10^?5 千克每立方米。事實上，蜘蛛網(wǎng)的密度從第0天到第1天增加了700%，從第1天到第2天增加了400%，從第2天到第3天僅增加了9%。

自然界中，附著在樹枝等移動支撐物上的蜘蛛網(wǎng)會不斷被拉伸。研究者研究建造階段，三維蛛網(wǎng)中一根蛛絲在拉伸下隨時間推移的機械性能。研究發(fā)現(xiàn)，在承受負載的蛛絲達到其失效的應(yīng)力并斷裂后，負載會轉(zhuǎn)移到連接的蛛絲上，從而避免發(fā)生災(zāi)難性故障。然后，蜘蛛可以通過拉索絲的非線性行為和蛛網(wǎng)的相互作用來定位缺陷，再修復(fù)缺陷以維持網(wǎng)絡(luò)功能。

研究還發(fā)現(xiàn)，蜘蛛網(wǎng)的強度隨著網(wǎng)的密度而增加。在網(wǎng)的堅固基礎(chǔ)上，蜘蛛會在接下來的日子增加網(wǎng)的密度，從而增加網(wǎng)的強度。

此外，研究發(fā)現(xiàn)蛛網(wǎng)可以有效地讓獵物減速，從而增加捕到獵物的概率。由于蛛網(wǎng)具有較多孔隙，大多數(shù)獵物會穿過網(wǎng)。但是，在蛛網(wǎng)的特定位置，即便蛛網(wǎng)才修建1天，蜘蛛也有機會捕到獵物。在蛛網(wǎng)構(gòu)建的不同階段，讓獵物減速的位置會發(fā)生變化，這表明蜘蛛會調(diào)整結(jié)構(gòu)（而結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)保持不變）。

彈丸撞擊減速圖，表示撞擊蛛網(wǎng)之后的速度與撞擊時速度之比

論文表示，實驗裝置的進一步擴展可以激發(fā)可持續(xù)和彈性材料、建筑技術(shù)，以及具有藝術(shù)、建筑和工程應(yīng)用的自組裝策略。增加蜘蛛網(wǎng)構(gòu)建、監(jiān)測與修復(fù)的知識，可以為具有自給自足、自我修復(fù)和自我監(jiān)控能力的新型智能結(jié)構(gòu)提供靈感。這些知識還可以通過與其他學科的創(chuàng)造性的合作來啟發(fā)藝術(shù)、設(shè)計和建筑（例如復(fù)雜和大規(guī)模的拉伸結(jié)構(gòu)）。

“（這項研究的）一項應(yīng)用是新材料設(shè)計。這項工作產(chǎn)生了新穎的由蛛網(wǎng)啟發(fā)（web-inspired）的3D打印材料。同時，也幫助我們實現(xiàn)新的3D打印方法。”Markus J. Buehler介紹道。

蜘蛛網(wǎng)的3D打印物理模型

“我們目前正在開發(fā)將蛛網(wǎng)用于建筑和材料工程中材料應(yīng)用的新方法。”問及關(guān)于蜘蛛網(wǎng)的下一步研究計劃，Markus J. Buehler表示，“我們正在積極研究的另一個應(yīng)用是可聽化（sonification）技術(shù)，即將蛛網(wǎng)作為樂器。我們已經(jīng)通過蛛網(wǎng)創(chuàng)造了新的音樂，就像這里所展示的——蜘蛛網(wǎng)與毒液之交響樂。”